(57)【要約】【課題】点火システムを制御するための装置および方法を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、少なくとも１つの点火プラグ４０用の制御装置と、燃焼サイクル依存の測定値を記録するように構成された少なくとも１つのセンサ（４６、５５）と、を含む。制御装置は、測定値に応じて点火ユニットの点火プロセスを開始および／または終了するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）の少なくとも１つの点火ユニット（４０）用、特に点火プラグ用の制御装置（ＥＣＵ＝エンジン制御ユニット）を備える内燃機関（１０）であって、
前記内燃機関（１０）は、燃焼サイクルに応じた測定値を記録するように構成されている少なくとも１つのセンサ（４６、５５）を備え、前記制御装置（ＥＣＵ）は、前記測定値に応じて前記点火ユニット（４０）の点火プロセスを開始および／または終了するように構成されている、
ことを特徴とする内燃機関（１０）。
【請求項２】
前記制御装置（ＥＣＵ）は、前記燃焼の測定された状態条件に基づいて、前記エンジンの時間的および／または量的な燃料供給に関する制御値を決定するように構成され、さらに、上記決定の追加の結果として、前記点火ユニット（４０）の点火プロセスを終了するための制御値を提供するように構成され、
特に、
同じ物理的計算ユニットは、燃料供給の決定を行うように構成され、また、前記点火ユニット（４０）のための前記制御値を提供するように構成されている、
請求項１に記載の内燃機関（１０）。
【請求項３】
前記センサ（４６、５５）は、圧力センサを含む、
請求項１または２に記載の内燃機関（１０）。
【請求項４】
前記センサは、前記内燃機関（１０）のクランクシャフトでの力またはトルクを測定するように構成され、および／または、少なくとも１つの信号を測定するように構成され、前記信号から前記値が決定可能である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項５】
前記センサは、静電容量センサであり、特に、前記センサは、少なくとも１つの電極を備え、前記電極は、前記電気点火回路に一体化される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項６】
前記制御装置（ＥＣＵ）は、前記点火ユニット（４０）の点火の開始時点を前記燃焼の状態に応じて変える、特に所定の目標値よりも早めるように構成されている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項７】
前記制御装置は、前記エンジンの温度に応じて、前記点火の開始および／または終了の時点を設定するように構成されている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項８】
前記測定値は、前記内燃機関のシリンダごとに、燃焼サイクルごとに１回反復する値である、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項９】
内燃機関（１０）、特に点火プラグの点火ユニット（４０）のリアルタイム制御のための方法であって、センサ（４６、５５）は、エンジンサイクルに依存して、前記燃焼の状態に関する少なくとも１つの燃焼依存測定値を受信し、前記測定値が前記制御装置（ＥＣＵ）に伝送され、前記制御装置（ＥＣＵ）は、前記測定値を評価し、前記測定値に応じて前記点火ユニットの点火プロセスの開始および／または終了の時点を決定し、
特に、
前記点火プロセスの開始および／または終了の時点を決定するための影響因子として、同じ燃焼サイクルの測定値および／または同じシリンダの以前の点火プロセスの測定値が利用される、
方法。
【請求項１０】
データキャリアに記憶可能であり、および／または記憶され、請求項９に記載の方法を実施するために内燃機関（１０）の制御装置（ＥＣＵ）で使用されるように構成されたコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火システムを制御するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に２ストロークまたは４ストローク燃焼機関などスパーク点火原理に従って動作する内燃機関は、点火システムを必要とし、点火システムは、点火スパークにより、燃焼の始動に必要な初期エネルギーを可燃性燃料混合物に供給する。この点火システムは、例えば点火プラグを含むことができる。従来、例えば２つの電極間でスパーク放電が生じる。同様に以下で考察して本発明に含める点火スパークの発生の別の原理は、コロナ放電システム、マイクロ波放電システム、または二重コイル点火システムである。
【０００３】
特許文献１から、燃焼室内の圧力を測定するために一体型圧力測定要素を含む点火プラグが知られている。
【０００４】
どのような点火スパークシステムであれ摩耗を受けるが、特に、点火用のエネルギーがかなり長期間にわたって燃料−空気混合物に供給されるとき、場合によっては、より簡単な従来のスパーク放電システムよりもコロナ放電システムまたはマイクロ波放電システムにおいて摩耗が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ドイツ特許出願第６０  ２００６  ０００  ４９５  Ｔ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、燃焼に必要な初期エネルギーを生成して提供するための新規のまたは改良されたシステムを提供することである。その際、摩耗の減少の問題を考慮する必要がある。この目的は、請求項１の特徴によって達成される。好ましい発展形態は、従属請求項の主題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
内燃機関は、少なくとも１つの点火ユニット用、特に点火プラグ用の制御装置（ＥＣＵ＝エンジン制御ユニット）を備える。センサが、燃焼サイクル依存の測定値を記録するように構成され、制御装置が、上記測定値に応じて点火ユニットの点火プロセスを開始および／または終了するように構成される。その結果、燃焼室内で燃焼プロセスが十分に生じており、既に点火された混合物が燃焼の進行を行うことが特に保証されている場合、制御装置は点火を終了し、それによって電気エネルギーを節約することができ、さらに点火ユニットの摩耗も低減することができる。燃焼サイクル依存という概念は、特に、それが、燃焼の１サイクル中の燃焼の時間的状態を認識可能である測定値であることを表す。点火プロセス、特に点火スパークの終了は、終了を促す測定値が記録されたとの同じ燃焼サイクル中に行うことができる。点火プロセスの開始のために、好ましくは、１つまたは複数の以前の燃焼サイクルで得られた測定値がさらに（または排他的に）利用される。
【０００８】
特に、制御装置は、燃焼の測定された状態条件に基づいて、エンジンの時間的および／または量的な燃料供給に関する制御値を決定するように構成されている。制御装置はまた、好ましくは、上記決定への追加の効果として、点火ユニットの点火プロセスを開始または終了するための制御値を提供するように構成することができる。さらに、同じ物理的計算ユニットが、燃料供給の決定を行うように構成されると共に、点火ユニットに関する制御値を提供するように構成されているときにも有利である。さらに、制御装置は、特に、例えば触媒処理、および／または排気ガス還流、新鮮空気管理、もしくは燃料供給による排気ガスの管理など、多くの他のタスクを引き受けることもできる。好ましくは、この制御はリアルタイムで行われる。エンジンの上記管理には、強力な計算ユニットが使用され、これらの計算の追加の結果として、点火プロセスの開始または終了に関する信号を得ることが可能である。したがって、この信号は、特に、それとは関係のない理由で以下に説明するＦＰＧＡを使用するときに、追加のハードウェア費用をかけずに得ることができる調整変数である。代わりに、この信号は、いずれにせよ既に使用されている制御装置のさらなる出力値である。
【０００９】
特に、センサは圧力センサでよく、または複数のセンサが使用されるときには、それらのセンサは１つの圧力センサを含むことができる。圧力センサは安価に製造することができ、圧力は、燃焼の開始時に大きく変化し、したがって燃焼状態を認識するのに適した物理量とみなされる。
【００１０】
あるいは、またはさらに、センサは、クランクシャフトでの力またはトルクを決定するように構成することができる。燃焼反応の開始は、圧力上昇を引き起こし、この圧力上昇は、負荷としてピストンに、さらにはクランクシャフトに作用する。クランクシャフトのトルクの変化、またはエンジンブロック内のクランクシャフトの軸受の支持力の変化のいずれかを測定することができる。あるいは、クランクシャフトの回転数の変化からトルクの変化を計算することができ、クランクシャフトの回転数は、対応する回転数センサによって決定される。
【００１１】
さらに、センサが静電容量センサであるときにも有利である。特に、このセンサは、少なくとも１つの電極を含むことができ、電極は、電気点火回路に一体化される。点火スパーク原理による点火装置では、使用される電極間に距離があり、容量性電界の変化によって点火開始について推論することができる。単純な点火プラグは、中央の中心電極を有すると共に、片側に径方向にずらして第２の電極を有する。角度オフセットを付けてさらなる測定電極を使用するとき、この電極は、例えば中心電極に対する電界を測定することができる。したがって、好ましくは、センサは、追加または代替として、電気点火回路に一体化されていない少なくとも１つの電極または２つの電極を備えることができる。
【００１２】
有利には、制御装置は、点火ユニットの点火の開始時点を燃焼の状態に応じて変える、特に所定の目標値よりも前に設定するように構成されている。従来知られている実施形態では、点火スパークは、クランクシャフトの位置に応じて、制御装置に記憶されている経験値に基づいて開始される。本発明による実施形態では、燃焼状態に関する実際の値を取得し、同じ点火の制御のために使用する、または後続の点火の１つもしくは複数で使用することが可能である。
【００１３】
また、制御装置が、エンジンの温度に応じて、点火の開始および／または終了の時点を設定するように構成されているときにも有利である。これに関する一例は、コールドスタート制御であり、コールドエンジンの際に、例えば点火の開始を早める、および／または点火の終了を遅らせる。これは、燃焼依存の測定値と別の測定変数または制御変数との重畳に関する一例と理解される。
【００１４】
測定値も既に記録されている従来技術とは対照的に、ここでは、内燃機関のシリンダごとに、燃焼サイクルごとに１回現れる反復値である測定値が記録される。従来技術から、点火条件の制御も既に知られているが、サイクルの状態に関するそのような調整は知られていない。
【００１５】
内燃機関、特に点火プラグの点火ユニットのリアルタイム制御のための方法において、センサは、エンジンサイクルに依存して、燃焼の状態に関する少なくとも１つの燃焼依存測定値を受信し、測定値は制御装置に伝送され、制御装置は、測定値を評価し、測定値に応じて点火ユニットの点火プロセスの開始および／または終了の時点を決定する。点火プロセスの開始および／または終了の時点を決定するために、特に同じシリンダの以前の点火プロセスからの経験値を利用することもできる。
【００１６】
特にコンピュータプログラムなどのコンピュータプログラム製品は、データキャリアに保存可能であり得るか、またはそこに保存することができ、ここで、本発明による内燃機関の制御装置において使用されるように、および／またはコンピュータプログラム製品を使用するときに本発明による方法を実施するように構成される。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を例示的に述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内燃機関の燃焼室を通る概略断面図である。
【図２】計算の簡単な流れ図である。
【図３】点火プラグの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に概略的に示される燃焼室は、シリンダ３０と、コネクティングロッドを介してクランクシャフト２５に接続されたピストン２０と、を備える燃焼室を示す。燃焼室の上部領域内、すなわちピストン２０の上部には、２つのバルブ３４および１つの点火プラグ４０が配置されている。点火プラグ４０は、図３に詳細に示されている。点火プラグ４０は、ねじ４５で燃焼室の壁に螺合されている。点火プラグ４０は、その下側に、中心電極４２および接地電極４３を含む。これらの電極４２、４３間の電流によって点火スパークが生成され、この点火スパークが、燃焼室内の可燃性ガス混合物を点火する。ねじ４５の領域内には軸方向スロット４８が設けられ、軸方向スロット４８は、燃焼室の内部から外部への流体連通を可能にする。このスロット４８の端部には、燃焼室外部の側に圧力センサ４６が配置されており、圧力センサ４６は、図３では単に概略ブロックとして示されている。圧力センサ４６は、環境に対して加圧封止式に封止されており、それにより、スロット４８を通して圧力センサ４６に連通される圧力が環境に到達できないようになっている。圧力センサ４６は、燃焼室の内圧を内燃機関１０の環境に対して封止するために外側エンクロージャを含む。エンクロージャの内部に、スロット４８と流体連通して、感圧素子、例えばピエゾ素子が配置されており、したがって、感圧素子は、スロット４８を通して伝達可能な圧力によって作動させることができる。圧力センサは、絶対圧センサとして構成することができる。この実施形態では、圧力センサは真空チャンバを含み、感圧素子は、真空に対する圧力を測定する。相対圧力センサの場合、圧力センサは環境と連絡することができ、それにより、環境圧力に対する圧力差が測定される。したがって、燃焼室、スロット４８内、さらには感圧素子での圧力変化が電位または電圧を引き起こし、この電位または電圧は、導電体（図示せず）を介して電子評価ユニットＥＣＵに伝達される。圧力センサ（図示されている）が点火プラグに一体化されている実施形態の代わりに、別個の圧力センサを燃焼室に組み込むことも可能である。好ましくは、圧力センサは、直接的な測定値を得るために、点火ユニットに直接隣接して配置されている。
【００２０】
図２に、測定値の伝達が概略的に示されている。図２の左側で測定値から始まり、この測定値は、例えば上記の圧力でよい。この測定値は、評価電子ユニット、またはエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）に伝達される。ＥＣＵは、好ましくは、エンジンを制御するための中央コンピュータユニットである。ＥＣＵは、好ましくは、さらに多くのセンサに接続することができ、それらのセンサは、例えば、１つまたは複数の温度、排気ガス組成、導入される空気量、導入される燃焼量、または同様のパラメータを記録することができる。ＥＣＵは、そこから状態値を認識し、特性を決定する。そのような特性には、例えば、高圧段階におけるインデックス付きシリンダ平均圧力や、ランプスタートによる圧力プロファイルの傾きの勾配などが含まれる。燃焼室内での燃焼は、これらの測定値に応じてＥＣＵによって制御される。例えば、燃焼ガスまたは燃料の供給を調整または制御することもできる。これらのタスクの集合が、図２に上位概念「多様な制御」としてまとめられている。また、ＥＣＵは、例えば、カムシャフト制御、または直接的にバルブ制御のタスクを引き受けることができ、排気ガス再循環を制御することもできる。
【００２１】
ＥＣＵのさらなる効果は、点火システム制御である。上述の特性または元の測定値から、例えば点火スパークの形態での初期エネルギーのさらなる供給をなくすことができる限り、どの時点から燃焼が安定しており持続的に進行するかを理解または認識可能である。その後、この時点は、点火プラグ４０へのさらなる電気エネルギーの供給を終了するために使用される。したがって、燃焼反応がすでに安定して進行しており、点火エネルギーによるさらなる発火によってさらなるまたは本質的な改善または加速が得られないときには、点火スパークを停止させることができる。点火プラグ、または一般に言うと点火装置での摩耗は通常、点火の持続時間に応じて決まる。必要でないときに点火プラグが停止されている場合、それに対応して摩耗が低減する。
【００２２】
さらに、点火エネルギーが節約される。これには様々な利点がある。まず、車両内の電気消費機器はできるだけ最小限に抑えるべきであるという原則が成り立つ。なぜなら、各消費機器は、例えばジェネレータを介してドライブトレインからエネルギーを引き抜き、したがって全体的な効率、すなわち車両の動力関連の消費を悪化させるからである。点火装置に必要なエネルギーがより小さいとき、特にその構成要素をより小型で安価に設計することができる。これは、例えば点火コンデンサに関する。さらに、点火プロセスが早期の時点で終了されたため、対応するシリンダの最初の点火プロセスにおいて使用されなかった電気点火エネルギーは、同じシリンダの次のエンジンサイクルの第２の後続の点火プロセスにあるいは他のシリンダのために使用することができる。
【００２３】
通常、現代の内燃機関でのエンジン制御はリアルタイムで実施される。このために、ＥＣＵには大きくかつ高速の計算力が使用される。例えば、ＦＰＧＡを使用することができる。ＦＰＧＡ（すなわちフィールドプログラマブルゲートアレイ）は、論理回路をロードすることができるデジタル技術の集積回路である。これらの回路は、プログラマブル（論理）ゲートアレイを有し、したがって特別なタスクを非常に高速で実施するのに適している。高いエンジン回転数では各燃焼サイクルが相応に短いため、そのような高速が必要となる。典型的には燃焼条件の計算で得られる結果値として、点火スパークの点火に応じて炎発生が計算される。この結果値は、点火装置を停止するために使用することができる。あるいは、ＦＰＡＡ（フィールドプログラマブルアナログアレイ）を使用することもでき、ＦＰＡＡはアナログ計算に基づいている。
【００２４】
あるいは、このような計算力がない用途では、同じシリンダにおける順次に行われる点火では基本的には同様の燃焼挙動が生じると言うことができるという簡略化した仮定をすることができる。したがって、測定する燃焼プロセスにおいてリアルタイムで使用することができるほど十分速くは得られない計算結果は、次のサイクルで使用して、点火を早期に終了させることができる。ここで測定された点火および燃焼条件は、次のサイクルのためにさらに使用することができる。このようにして、燃料供給など同様のフレームワーク条件を仮定して、点火活性化の持続時間を最適化する良好な結果をもたらす調整回路を得ることができる。この調整回路は、リアルタイム計算を行うことができる。リアルタイム計算は、本発明の文脈では、内燃機関の燃焼サイクルの測定値を与えられ、その燃焼サイクルを最適化するために使用される結果を提供する計算として理解される。リアルタイム計算は、場合によっては、結果が次の燃焼サイクルになってから使用される制御にも関連し得る。
【００２５】
さらなる実施形態では、圧力センサ４０に代えてまたは圧力センサ４０に加えて、圧力センサ５５をクランクシャフトの軸受内または軸受付近に提供することができる。燃焼を開始するために点火スパークが行われる場合、ピストン２０は、図１とは異なり、上死点に近くなる。この場合、ピストンロッドは、ピストンおよびクランクシャフト２５の軸受軸線とほぼ同一直線上である。ピストンの端面に燃焼圧力が作用する。これは、クランクシャフトの支持力の増加をもたらす。したがって、そこで、すなわちクランクシャフトの軸受の下点で測定される力が増加する。そこで使用されるセンサは、ピエゾセンサでよい。あるいは、クランクシャフトの湾曲またはクランクシャフトの他の幾何学的変化を検出するセンサを使用することができる。
【００２６】
さらなる代替実施形態では、クランクシャフトに加えられるトルクを認識するセンサが使用される。これは、従来知られているトルクセンサ、または対応するレバーアームによって同じ測定値に至ることができる力センサでよい。トルクの情報は、エンジン制御ユニットＥＣＵに非常に重要である。したがって、好ましくは多様な制御および調整目的のために既にＥＣＵに供給されているこの測定値を、点火プロセスの終了を決定するために使用することができる。
【００２７】
さらに、燃焼状態を認識するために点火ユニット、特に点火プラグ４０での電気値が記録される好ましい実施形態（図示せず）がある。まず、これに関して、接地電極４３と同様に、中心電極４２からある径方向距離に配置されたさらなる電極を使用することができる。この補助電極（図３には図示せず）は、実際の点火プロセスには組み込まれておらず、中心電極４２または接地電極４３に関して容量性電界を決定および／または測定するために使用される。実際の点火反応には、この補助電極は使用されない。むしろ、燃焼条件に応じて静電容量が変わることが確認された。したがって、例えば燃焼状態の開始前に、補助電極と基準電極との間に静電容量Ｃ１がある。燃焼反応の開始後、点火ユニットの領域におけるガス分子の機械的な活性（移動）が顕著に大きくなり、これが静電容量Ｃ２をもたらす。これらの静電容量Ｃ１とＣ２を比較することによって、燃焼プロセスを推論することができる。特に、第２の静電容量Ｃ２は、Ｃ１よりも小さい。
【００２８】
また、燃焼状態に応じた電極４２、４３間の電流の強い関連性がある。点火プロセスの開始前、この電流は非常に小さい。点火プロセスの開始後、かつ燃焼状態の開始前に、電流はかなり大きな値を取り、燃焼反応の開始後に再び測定可能に変化する。この変化、すなわち好ましくは特定の減少を、接続された測定デバイスによって検出して、点火プロセスの終了の決定に直接使用することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、点火スパークの開始後、ガス混合物が最適に燃焼するまでに典型的には１〜２ｍｓかかることがあり、この時点から、駆動に理想的な圧力が発生する。したがって、ピストンの上死点の直前に点火スパークを開始する。点火は、例えば上死点の１ｍｓ前に行うことができる。既に説明したように、燃焼が安全に始まるとすぐに点火は終了する。したがって、特に、電子制御装置は、±３００μｓよりも正確、特に±１００μｓよりも正確な時間的精度で点火を終了するように構成すべきである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  エンジン
２０  ピストン
２５  クランクシャフト
３０  シリンダ
３４  バルブ
４０  点火プラグ
４５  ねじ
４６  圧力センサ
５５  圧力センサ
ＥＣＵ  エンジン制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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