内燃機関の制御法および制御システム
【課題】多気筒内燃機関の動作事象の実行を、多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御する方法を提供すること。
【解決手段】この方法は、制御パラメータの瞬時値を捕捉するステップと、前記制御パラメータの瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として制御ユニットに伝達するステップと、実時間伝達からの偏差を、データメッセージに補償データを含め、制御ユニットよる連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップとを含み、前記計算は、制御パラメータの捕捉された瞬時値、および制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻とデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施される。
【解決手段】この方法は、制御パラメータの瞬時値を捕捉するステップと、前記制御パラメータの瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として制御ユニットに伝達するステップと、実時間伝達からの偏差を、データメッセージに補償データを含め、制御ユニットよる連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップとを含み、前記計算は、制御パラメータの捕捉された瞬時値、および制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻とデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関の各気筒ごとに、その多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御する方法であって、各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を、少なくとも１つのセンサ配置によって捕捉するステップと、この多気筒内燃機関の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニットに、前記制御パラメータの瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として伝達し、通信ネットワークを介して伝送されるデータメッセージに前記ディジタル制御パラメータ信号を含めるステップと、通信ネットワークを介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記データメッセージに補償データを含め、制御ユニットによる連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、前記制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップとを含む方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多気筒内燃機関内の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行の正確なタイミング調節および正確な制御は非常に重要であり、このようなタイミング調節および制御は、クランク軸の瞬時角位置の更新された正確な情報に依存する。各燃焼サイクル中に適時に制御されなければならない動作事象には例えば、燃料の噴射、点火および排気弁の作動の各瞬間、ならびに気筒への潤滑剤および圧縮空気の供給の瞬間などが含まれる。
【０００３】
当技術分野において、本発明が関係するこの種類の制御法および制御システムは、例えば本出願の出願人に属する日本国特許ＪＰ３４８３７４３Ｂ２などからよく知られており、この特許は、制御システムまたはその重要部分の故障に起因する動作中断の危険性を最小化する高い誤り許容度を達成することを主な目的とする制御システムを開示している。これらの目的は、この先行技術のシステムを、２つの中央機関制御ユニットと、機関クランク軸の角位置および速度を検出する２つの別個のセンサ配置と、中央機関制御ユニットと個々の気筒制御ユニットとの間の２つの別個の通信線とを備える完全に冗長なシステムとして構築することによって達成される。しかしながら、この先行技術のシステムは、クランク軸に隣接して配置され、いくつかの個々の光学検出器構成要素をそれぞれが備える複数のセンサ配置によって高い正確さで決定されたクランク軸位置の別々の瞬時値を含む制御パラメータを実時間データ伝送するという不可欠の要件に依存する。
【０００４】
やはり本出願の出願人に属する日本国特許ＪＰ４４１５０２７Ｂ２は、冒頭の段落で述べた種類の方法およびシステムであって、気筒制御ユニットによって使用される制御パラメータの推定値を計算するときに、ネットワークユニット内での処理時間と、通信ネットワークを介した伝送に起因する遅延とを補償することによって、内燃機関の制御に関する全ての通信が同じ通信ネットワーク上で実施される方法およびシステムを開示している。したがって、各燃焼サイクル中に、動作事象のタイミング調節および制御を、気筒制御ユニットによって、あたかも制御パラメータデータが実際に実時間で伝達されたかのような同じレベルの正確さで実施することができる。
【０００５】
このような先行技術のシステムは伝統的に、例えばトークンによるなど伝送方式が予め決められており、伝送時間が一定であるマルチドロップバスネットワークに基づき、伝送容量が比較的に小さいことが難点である。このようなシステムに配備された気筒制御ユニットにおいて使用可能な処理パワーの増大に伴って、その使用可能な処理パワーを利用し、それによって多気筒内燃機関内における動作事象の実行のタイミングをよりいっそう正確に調節し、該実行をよりいっそう良好に制御するシステムを提供するために、より大きなネットワーク伝送容量が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４８３７４３号
【特許文献２】特許第４４１５０２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この背景によれば、本発明の全体的な目的は、多気筒内燃機関の各気筒における各燃焼サイクル中の動作事象を制御する、高処理能力で信頼性の高いフェールセーフシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的およびその他の目的は、冒頭の段落に記載されたシステムであって、さらに、前記補償データが、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表すこと、少なくとも１つのセンサ配置および制御ユニットによって通信ネットワークを介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられ、通信ネットワーク内に規定された主刻時機構ならびに刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時刻に基づいて、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置と制御ユニットの間の時間オフセットが決定され、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された時間オフセットに基づいて補償されること、ならびに前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された瞬時値、および前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されることを特徴とするシステムによって達成される。
【０００９】
このシステムは、通信ネットワークで使用される伝送方式が、予め決められた伝送方式および一定の伝送時間を持たない場合であっても、内燃機関、特に船舶の推進用機械として使用される内燃機関の制御に関する全てのデータ通信、ならびに他の目的に対しても使用することができる同じ通信ネットワーク上のセンサ配置から制御ユニットへの制御パラメータデータの伝達を実施することを可能にする。本発明に基づくこの方法は、所定の伝送方式を実現し、一定の伝送時間を有するネットワークに比べて低い費用で高い処理能力を提供する、伝送時間が決定論的でも一定でもないタイプの通信ネットワークを使用する制御システムを実現することを可能にする。個々のネットワーク装置間の局所時刻の時間オフセットの補償は、標準ネットワークを使用するときのサービスおよび保守を容易にすることに加え、例えばデータ処理に関して異なる特性を有するネットワーク装置の使用を可能にする。
【００１０】
制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの伝送とは無関係に追加のデータメッセージを送り、このような独立したデータメッセージに、送信の瞬間および受信の瞬間のタイムスタンプを割り当てることによって、センサ配置と制御ユニットの間の局所時刻の時間オフセットを決定すること与える。前記追加のデータメッセージのそれぞれに割り当てられたタイムスタンプは、動作事象の実行の求められている正確なタイミング調節および正確な制御を達成する精度、すなわち少なくともマイクロ秒の範囲の精度で時間オフセットを決定する非常に効率的で信頼性の高い方法であることが示されている。制御パラメータの捕捉された瞬時値を伝送するために使用されるデータメッセージがさらに、オフセットを決定するために使用されるタイムスタンプを含むことができること、および原則的に、全てのデータメッセージが、タイムスタンプに加えて制御パラメータを含むことは明白である。
【００１１】
上述の制御法に基づく方法の実現に関して、本発明の追加の態様によれば、各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関の各気筒ごとに、その多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御するシステムであって、各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を捕捉する少なくとも１つのセンサ配置と、
この多気筒内燃機関の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニットに、前記制御パラメータの瞬時値を、通信ネットワークを介して伝送されるデータメッセージに含まれたディジタル制御パラメータ信号として伝達する通信ネットワークと、
通信ネットワークを介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表す補償データを含めることによって補償する制御ユニットとを備え、少なくとも１つのセンサ配置および制御ユニットによって通信ネットワークを介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられ、前記通信ネットワークが、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置と制御ユニットの間の時間オフセットを決定するために、刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時間とともに使用される主刻時機構を備え、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された時間オフセットに基づいて補償され、前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された瞬時値、および前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されるシステムが提供される。
【００１２】
好ましい一実施形態では、前記制御パラメータの瞬時値が、前記気筒のうちの各気筒のピストン構成要素に接続された機関クランク軸の瞬時位置を含む。
本発明を実現する制御法および制御システムの特に好ましい実施形態では、独立した通信ネットワークを介して制御ユニットへデータメッセージをそれぞれ送信する２つの独立したセンサ配置の使用を含む冗長動作のためのシステムが構築される。これにより、各制御ユニットは、それぞれのセンサ配置からデータメッセージを受け取ることができ、少なくとも２つの独立した通信ネットワークを介したこのようなメッセージの伝達によって、高いレベルの信頼性およびフェールセーフ動作が得られる。それぞれのセンサ配置が、両方の冗長通信ネットワークを介してデータメッセージを伝達するときには、一方の通信ネットワークの信号線が破損した場合であっても、両方のセンサ配置からのデータメッセージを制御ユニットに伝達することができる。
【００１３】
このような交差冗長性を提供する本発明に基づく方法およびシステムの他の発展実施形態を得ることができ、この実施形態では、少なくとも２つの独立した通信ネットワークを介して、気筒上に分配された気筒制御ユニットへデータメッセージをそれぞれ送信する少なくとも２つの独立した機関制御ユニットの使用を含む冗長動作のためのシステムが構築される。このシステムは、異なる種類の計算が、異なるタイプの制御ユニットで実施されることを可能にし、それによって、異なる種類の計算が、通信ネットワーク内のデータメッセージの伝送を制限することを可能にし、それによって、動作事象の実行のタイミングがよりいっそう正確に調節される。
【００１４】
発展させた他の実施形態では、２つの独立した通信ネットワークの主刻時機構を規定するために、少なくとも２つの独立した機関制御ユニットのうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置のうちの１つのセンサ配置のいずれかが選択される。
【００１５】
センサ配置および機関制御ユニットが冗長であり、２つの独立した通信ネットワークの主刻時機構を規定するためにそれらのうちの１つが選択されるときには、選択された主刻時機構が故障または破損した場合に、新しい主刻時機構を容易に選択することができる。これが可能なのは、残りの機関制御ユニットおよびセンサ配置が冗長構成で接続されており、したがって選択された主刻時機構の破損を発見することができるためである。その場合、残りの機関制御ユニットおよびセンサ配置の中で主刻時機構を選択するルーチンが開始される。
【００１６】
以下の説明から明らかになるが、本発明に基づく方法の性能試験によれば、センサ配置から制御ユニットへの実時間メッセージ伝達からの偏差を補償することによって、信頼性および正確さに関して、所定の伝送方式および一定の伝送時間を有する伝送モードに基づくシステム内の実現と十分に競合する、各燃焼サイクル中の動作事象の制御を達成することができることが確認された。
【００１７】
本発明の有利な実施形態の好ましい一実施多様の実行に関して、通信ネットワークを介したデータメッセージの前記伝送は、少なくとも１つのセンサ配置による前記制御パラメータの瞬時値の前記捕捉とは無関係に実施され、データメッセージ内に含まれる前記補償データは、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間におけるデータメッセージに含まれるディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含む。
【００１８】
この情報があれば、制御ユニットがある動作事象を実行するクランク軸の位置の時刻の瞬間を計算することが可能である。それによって、データメッセージを受け取るとすぐに計算を実施することができ、制御ユニットは、待機し、または単に動作事象が実施されなければならない時刻の瞬間を待つことができる。
【００１９】
このような冗長な方法およびシステムの実現では、制御ユニットごとに、前記制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置のうちの各センサ配置から送信されたメッセージに対して生成され、メッセージから得られた前記制御パラメータの推定値を前記センサ配置のうちの単一センサ配置から選択する選択が、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施されることがさらに好ましい。
【００２０】
次に、概略図によって示される好ましい一実施形態を参照して、本発明の制御法および制御システムの動作、構造および利点をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】４気筒ディーゼル機関の冗長電子制御システムの極めて概略的な図である。
【図２】本発明に基づく電子制御システム内で使用されるネットワーク装置の同期を例示するために実施されたデータメッセージ伝送の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１の極めて概略的な図は、本発明に基づく冗長電子制御システムを実現するディーゼル機関を示している。この制御システムは、機関クランク軸の角位置を表す制御パラメータの別々の瞬時値が、典型的には光電子センサ配置である２つのセンサ配置３、３’のうちの各センサ配置内のいくつかの検出構成要素によって検出、捕捉され、それらの瞬時値が、データメッセージ内のディジタル制御パラメータ信号として、独立した冗長通信ネットワーク１０、１０’内の個々の専用信号線を介して、センサ配置３、３’から、センサ配置３、３’から受け取ったディジタル制御パラメータ信号に応じて、各気筒内の燃焼プロセスのタイミングを調節し、各気筒内の燃焼プロセスを制御する２つの冗長中央機関制御ユニット４、４’および機関気筒２に関連づけられたいくつかの気筒制御ユニット５に伝達される方式で動作する。図１に示された実施形態では、センサ配置３、３’が、両方の通信ネットワーク１０、１０’に冗長構成で接続されているが、通信ネットワーク１０、１０’のうちの一方の通信ネットワークにだけセンサ配置３、３’が接続されたシステムとして本発明を実現することもできる。中央機関制御ユニット４、４’はそれぞれ、一方で、冗長通信ネットワーク１０、１０’を介して各気筒制御ユニット５にさらに接続されており、他方で、いくつかの外部コマンド端子および／または監視端子のそれぞれに接続されている。本発明の好ましい一実施形態では、このネットワーク通信が、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などの、伝送時間が一定でなく、伝送方式も予め決められていないタイプのネットワークに基づく。冗長ネットワーク１０、１０’はそれぞれ、ネットワーク装置を接続する中央ネットワークユニット１１、１１’、すなわちセンサ配置３、中央機関制御ユニット４、４’および気筒制御ユニット５を接続する中央ネットワークユニット１１、１１’、好ましくはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）スイッチを備える。
【００２３】
中央機関制御ユニット４、４’は一般に、少なくとも機関クランク軸の瞬時角位置を別々の感知点で捕捉するセンサ配置３、３’からだけでなく、機関上に配置された複数の感知ユニットおよび外部ユニットからも監視および制御信号を受け取り、気筒制御ユニットと他の一般的な機関ユニットの両方に制御信号を伝達する。したがって、中央機関制御ユニット４、４’は、制御パラメータの瞬時値に関する制御信号を気筒制御ユニット５に伝達する役目を果たすだけでなく、機上に配置された他の機関制御機能を動作させる目的にも使用される。
【００２４】
センサ配置３、３’からの制御信号は、中央機関制御ユニット４、４’と気筒制御ユニット５の両方に伝達されるため、制御パラメータの推定値の計算は、中央機関制御ユニット４、４’でも、または気筒制御ユニット５でも実施することができる。しかしながら、通信ネットワーク１０、１０’内のデータパケットの量を減らすため、この計算は、分散され、個々の気筒制御ユニット５と中央機関制御ユニット４、４’の両方で実施されることが好ましい。その場合、中央機関制御ユニット４、４’から伝達される制御信号は、所望の動作条件または機関負荷の変更に関係し、受け取った制御信号に基づいて、その動作条件または機関負荷を変更するために必要な制御パラメータの値を推定するのに必要な計算を実施するように、気筒制御ユニットをプログラムすることができる。このシステムがＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）通信によって実現されるときには、その通信が、ブロードキャストまたはマルチキャストに基づき、そのシステムをスタートポロジとして実現するスイッチによって再伝送が実施可能になることに加えて、原則的に、全てのネットワーク装置が、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを受け取る。このネットワーク通信を実施するスイッチなどの中央ネットワーク装置の存在は結局、データメッセージの再伝送および再伝送されたデータメッセージの非確定的な遅延に帰着する。前記通信ネットワーク１０、１０’を介した前記データメッセージの伝送は、少なくとも１つのセンサ配置３、３’による制御パラメータの瞬時値の捕捉とは無関係に実施され、この計算に使用され、データメッセージ内に含まれる補償データは、制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間におけるデータメッセージに含まれるディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含むことが好ましい。
【００２５】
中央機関ユニット４、４’は、例えば気筒内へ噴射される燃料の量を計算することによって機関回転数を制御する機関クランク軸の瞬時角位置を少なくとも使用し、機関クランク軸の位置を使用して、いつ、どの気筒制御ユニットに、中央機関ユニット４、４’によって計算された燃料噴射を実施するように命令するのかを決定する。機関クランク軸の瞬時角位置に関して、気筒制御ユニット５は、中央機関ユニット４、４’によって計算された量の燃料噴射を計算し、実施する。
【００２６】
制御ユニット４、４’；５での制御パラメータの推定値の計算、すなわち特定の瞬間における機関クランク軸の位置の推定値の計算は、連続するデータメッセージの受信と受信の合間に実施され、この計算は例えば、外挿期間内ではクランク軸の速度が一定であると仮定する線形外挿法に基づくことができる。外挿期間ｔｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎは、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを受け取った瞬間の時刻と制御パラメータを捕捉した瞬間の時刻との間の時間差として決定される。
【００２７】
クランク軸の位置のそれぞれの捕捉に、クランク軸の位置を捕捉した瞬間の時刻が割り当てられているときには、クランク軸の位置の連続する測定と測定の間の時間差を用いて、いくつかの捕捉された値を記憶することによって、クランク軸の角速度を計算することができる。この計算は、センサ配置で実施し、制御ユニットに伝達することができ、あるいは制御ユニットで実施することができる。気筒内に噴射される燃料の量を計算する目的など、いくつかの目的のため、角速度は、最も新しく受け取られた機関クランク軸の瞬時角位置の値と、以前の値との差を使用することによって計算することができ、例えば５個おきまたは１０個おきに捕捉された値の差が使用される。これは、計算された平均角速度を、より高い分解能で提供し、ある計算に対しては有利だが、動作事象の実行に対しては有利ではない。
【００２８】
制御ユニット４、４’；５ごとに、制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置のうちの各センサ配置から受け取ったデータメッセージに対して独立に生成されように、このシステムを冗長構成で動作させると有利であり、メッセージから得られた制御パラメータの推定値を前記センサ配置のうちの単一のセンサ配置から選択する選択は、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施される。
【００２９】
選択基準は例えば、能動的センサ配置として選択され、その制御パラメータが、制御ユニット４、４’；５において計算を実行するために使用されるセンサ配置３、３’から到来するデータメッセージの頻度とすることができる。能動的センサ配置とは、制御パラメータの推定値の計算に使用される制御パラメータを含むデータメッセージを送信する方のセンサ配置を意味し、計算に対して捕捉した制御パラメータが使用されないもう一方のセンサ配置は、待機状態にあると言われることがある。例えば、あるセンサ配置が、ある期間にわたってデータメッセージを送信しない場合には、もう一方のセンサ配置が能動的センサ配置として選択され、センサ配置から受け取った２つのデータメッセージ間の期間が、２つのデータメッセージ間の以前の期間からかなり外れており、そのことが、機関の可能な加速または減速と比較して現実的でない場合には、そのデータメッセージを破棄することができ、もう一方のセンサ配置を能動的センサ配置として選択することができる。さらに、センサ配置の検出構成要素、すなわち、好ましくは光電気符号器は、グレイコードおよび直交符号化を使用して実現される。
【００３０】
センサ配置の機能不良も検出する一実施形態では、各センサ配置が、クランク軸のカムの位置を検出する近接センサを備える。すなわち、この近接センサは、クランク軸が１回転するごとにカム検出信号を提供する。この情報を使用して、センサ配置の検出構成要素がクランク軸に対して回転されているかどうかを検出することができる。
【００３１】
通信ネットワーク１０、１０’が、イーサネット（登録商標）などの、伝送時間が確定的でなく、伝送時間および送信の瞬間が予測できないタイプのネットワークに基づくことを可能にするため、あるネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’が主装置（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）として選択され、選択されたネットワーク装置が、通信ネットワーク１０、１０’の主刻時機構を規定する。このとき、残りのネットワーク装置は、この主刻時機構を同期基準として使用するスレーブの装置である。各ネットワーク装置は実時間刻時機構を有し、あるネットワーク装置が主装置として選択されているとき、残りのネットワーク装置は、それらのネットワーク装置の実時間刻時機構を主装置の実時間刻時機構に同期させなければならない従装置である。
【００３２】
好ましい一実施形態では、少なくとも２つの独立した機関制御ユニット４、４’のうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置３、３’のうちの１つのセンサ配置が、２つの独立した通信ネットワーク１０、１０’の主刻時機構として選択される。通信ネットワーク１０、１０’内で通信しているネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’に対する主刻時機構として選択されることを唯一の目的とする１つまたは複数の追加の冗長ネットワーク装置を、それらの通信ネットワークに接続することができることは明白である。その場合には、予め決められたネットワーク装置が、主刻時機構を規定する主装置として選択される。しかしながら、主刻時機構として選択されたネットワーク装置が破損し、または一時的に動作不良を起こした場合に、新しいネットワーク装置が主刻時機構として選択されるように、主装置は、さまざまなタイプの選択基準を使用して、ネットワーク装置間の刻時データメッセージの交換によって選択されることが好ましい。このことは、動作時において、通信ネットワークの変更後の迅速な再構成を可能にし、このシステムの障害許容力をより高いものにする。
【００３３】
さらに、冗長構成のネットワーク装置であり、両方の通信ネットワーク１０、１０’に接続されたネットワーク装置だけが主刻時機構として選択され、それによって、そのようなネットワーク装置が、両方のネットワーク１０、１０’に対する主刻時機構の働きをすることが好ましい。したがって、主装置として機能しているネットワーク装置が故障した場合に新しい主装置を選択することができるように、主装置は、センサ配置３、３’または機関制御ユニット４、４’の中の１つの中で選択されることが好ましい。能動的センサ配置３、３’の選択に関連して使用される上述の例と調和する異なる種類の選択基準を、通信ネットワークの主装置を選択する目的に使用することもできる。
【００３４】
捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを伝送するときの精度は、ネットワーク装置の実時間同期に左右される。ネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’の実時間刻時機構を同期させるために、少なくとも１つのセンサ配置３、３’および制御ユニット４、４’；５による、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージの通信ネットワーク１０、１０’を介した伝送とは無関係に、追加の刻時データメッセージが伝送され、それらの追加の刻時データメッセージには、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられる。通信ネットワーク１０、１０’内の選択された主装置ならびに刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時刻が、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置３、３’と制御ユニット４、４’；５との間の局所時刻の時間オフセットを決定するために使用される。それによって、従装置は、主装置の実時間刻時機構と一致するように、それらの従装置自体の局所実時間刻時機構を同期させることができ、または、他の方法で、捕捉された制御パラメータに割り当てられた時刻が、主装置と従装置の間の実時間オフセットを考慮することによって補償されていることを保証することができる。
【００３５】
この時間オフセットを決定するため、主装置として選択されたネットワーク装置は、現在の時刻を、同期メッセージに含めて従装置に定期的に送信し、送信の瞬間に、主装置は、同期メッセージに送信タイムスタンプを割り当て、同期メッセージの受信時に、各従装置は、その同期メッセージに受信タイムスタンプを割り当てる。ネットワーク装置間の時間オフセットを決定するため、従装置は、同期メッセージのネットワーク通過時間を個別に決定する。したがって、ネットワーク通過時間は、各従刻時機構から主刻時機構への往復時間を連続的に測定することによって、間接的に決定される。
【００３６】
図２は、主刻時機構と従装置として動作しているネットワーク装置との間の同期を、これらのネットワーク装置間の実時間オフセットを決定することによって可能にするために実施された刻時データメッセージの伝送を示す。一般に、特定の時刻における従装置と主装置の間の時間オフセットは、Ｏ（ｔ）＝Ｓ（ｔ）−Ｍ（ｔ）として与えられ、この式で、Ｓ（ｔ）は、物理時刻ｔにおいて従装置で測定された実時間、Ｍ（ｔ）は、物理時刻ｔにおいて主装置で測定された実時間である。このオフセットは、ネットワーク装置の実時間刻時機構の相違に帰着するネットワーク装置内のハードウェアおよびソフトウェア実現の相違に関係するため、実際には、このオフセットは、非常に小さくゼロに近いものとして現れる。図２に示されているように、時刻ｔ１に、主装置２０が、同じ伝送ネットワークに接続された全ての従装置４０に同期メッセージ２０を送信する。この例では、原理を説明するときに平易になるように、１つの従装置４０だけが存在し、スイッチは省かれている。主装置２０からの送信時に、同期メッセージ２１にタイムスタンプｔ１が割り当てられ、受信時に、従装置４０が、局所時刻ｔ１’を記録する。主装置２０と同期するために、従装置４０は、同期メッセージ４１のネットワーク通過時間ｔｔｒａｎｓｉｔを決定しなければならない。ネットワーク通過時間ｔｔｒａｎｓｉｔは、従装置４０が時刻ｔ２に主装置２０に通過時間メッセージ４１を送ることによって決定される。主装置２０は、受信時に、この通過時間メッセージ４１に時刻ｔ２’を割り当て、割り当てられた時刻ｔ２’を含む返答メッセージ２２を返す。その結果、従装置４０は、時刻ｔ１、ｔ１’、ｔ２およびｔ２’についての情報を収集する。上に例示された刻時データメッセージの交換によって得られたこの情報は、以下の関係ｔ１’−ｔ１＝Ｏ（ｔ）＋ｔｔｒａｎｓｍｉｔおよびｔ２’−ｔ２＝−Ｏ（ｔ）＋ｔｔｒａｎｓｍｉｔを確立するために使用される。これらの関係を結合すると、式Ｏ（ｔ）＝（ｔ１’−ｔ１−ｔ２’＋ｔ２）／２を得ることができ、この式は、実時間刻時機構の相違と、一定でも確定的でもないために時間とともに変化する主装置と従装置の間のネットワーク伝送時間の両方を考慮したオフセットを規定する。図２に示されているように、時刻ｔｎおよびｔｎ＋１に刻時データメッセージを送信することによって、データメッセージの伝達は、継続中のプロセスである。
【００３７】
本発明の実用上好ましい一実施形態では、主装置と従装置の間の時間オフセットが非常に小さいことを利用することによって、主装置と従装置の間の継続した同期および刻時データメッセージの伝送が実現される。このことは、時間オフセットのかなりの変化に帰着する刻時データメッセージを破棄し、次のデータメッセージを待って、その後に従装置の実時間を調整することによって達成される。スイッチ内での衝突および対応する再伝送に起因する遅延によって、決定された時間オフセットがかなり変化することがあるため、このことは有利である。あるいは、全ての刻時データメッセージを使用することができるように、例えばデータメッセージのこのような再伝送に起因する遅延についての情報をデータメッセージに追加することによって、そのような遅延についての情報を提供するように、配備されたスイッチを適合させることもできる。
【００３８】
一般に、従装置の実時間刻時機構は、決定された時間オフセットを用いて、位相同期電圧制御発振器を使用することによって、またはディジタル式に、タイムユニットあたりのクロック信号数を調整することによって、あるいは、時間オフセットが決定される期間を短くし、もしくは延長することによって調整することができる。したがって、主装置と従装置の間の時間オフセットは、従装置内で局所的に実施され、制御パラメータの推定値の計算を関係づける計算とは分離されることが好ましい。
【００３９】
主装置と従装置の間の時間オフセットのこの決定は、図２に示され、上で説明したデータメッセージの交換が、時間オフセットが一定であると仮定することができる非常に短い時間にわたって実施されるという仮定、および主装置から従装置へ伝送するときと従装置から主装置へ伝送するときの通過時間が同じであるという仮定に基づく。さらに、主装置と従装置の両方が、データメッセージの送信および受信時刻を割り当てることができることも要件である。
【００４０】
したがって、好ましい一実施形態では、本発明に基づく方法およびシステムが、２つの目的でデータメッセージを伝達することを含む。第１に、センサ配置によって捕捉された制御パラメータを制御ユニットに提供する目的で、データメッセージが通信ネットワークを介して伝送される。第２に、ネットワーク装置間の局所実時間の時間オフセットを決定するために、刻時データメッセージが伝達される。
【００４１】
機関のクランク軸位置などの制御パラメータが１つのネットワーク装置で捕捉され、その制御パラメータが、伝送時間が確定的でも一定でもない通信ネットワークを介して別のネットワーク装置に伝送されたときに、各燃焼サイクリング中の動作事象の実行を多気筒内燃機関の各気筒ごとに制御することを可能にする方法およびシステムを開示する点で、本発明は有利である。
【符号の説明】
【００４２】
２ 機関気筒
３ センサ配置
３’ センサ配置
４ 中央機関制御ユニット
４’ 中央機関制御ユニット
５ 気筒制御ユニット
１０ 通信ネットワーク
１０’ 通信ネットワーク
１１ 中央ネットワークユニット
１１’ 中央ネットワークユニット
２０ 主装置
２１ 同期メッセージ
２２ 返答メッセージ
４０ 従装置
４１ 通過時間メッセージ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関の各気筒ごとに、その多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御する方法であって、各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を、少なくとも１つのセンサ配置によって捕捉するステップと、この多気筒内燃機関の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニットに、前記制御パラメータの瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として伝達し、通信ネットワークを介して伝送されるデータメッセージに前記ディジタル制御パラメータ信号を含めるステップと、通信ネットワークを介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記データメッセージに補償データを含め、制御ユニットによる連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、前記制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップとを含む方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多気筒内燃機関内の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行の正確なタイミング調節および正確な制御は非常に重要であり、このようなタイミング調節および制御は、クランク軸の瞬時角位置の更新された正確な情報に依存する。各燃焼サイクル中に適時に制御されなければならない動作事象には例えば、燃料の噴射、点火および排気弁の作動の各瞬間、ならびに気筒への潤滑剤および圧縮空気の供給の瞬間などが含まれる。
【０００３】
当技術分野において、本発明が関係するこの種類の制御法および制御システムは、例えば本出願の出願人に属する日本国特許ＪＰ３４８３７４３Ｂ２などからよく知られており、この特許は、制御システムまたはその重要部分の故障に起因する動作中断の危険性を最小化する高い誤り許容度を達成することを主な目的とする制御システムを開示している。これらの目的は、この先行技術のシステムを、２つの中央機関制御ユニットと、機関クランク軸の角位置および速度を検出する２つの別個のセンサ配置と、中央機関制御ユニットと個々の気筒制御ユニットとの間の２つの別個の通信線とを備える完全に冗長なシステムとして構築することによって達成される。しかしながら、この先行技術のシステムは、クランク軸に隣接して配置され、いくつかの個々の光学検出器構成要素をそれぞれが備える複数のセンサ配置によって高い正確さで決定されたクランク軸位置の別々の瞬時値を含む制御パラメータを実時間データ伝送するという不可欠の要件に依存する。
【０００４】
やはり本出願の出願人に属する日本国特許ＪＰ４４１５０２７Ｂ２は、冒頭の段落で述べた種類の方法およびシステムであって、気筒制御ユニットによって使用される制御パラメータの推定値を計算するときに、ネットワークユニット内での処理時間と、通信ネットワークを介した伝送に起因する遅延とを補償することによって、内燃機関の制御に関する全ての通信が同じ通信ネットワーク上で実施される方法およびシステムを開示している。したがって、各燃焼サイクル中に、動作事象のタイミング調節および制御を、気筒制御ユニットによって、あたかも制御パラメータデータが実際に実時間で伝達されたかのような同じレベルの正確さで実施することができる。
【０００５】
このような先行技術のシステムは伝統的に、例えばトークンによるなど伝送方式が予め決められており、伝送時間が一定であるマルチドロップバスネットワークに基づき、伝送容量が比較的に小さいことが難点である。このようなシステムに配備された気筒制御ユニットにおいて使用可能な処理パワーの増大に伴って、その使用可能な処理パワーを利用し、それによって多気筒内燃機関内における動作事象の実行のタイミングをよりいっそう正確に調節し、該実行をよりいっそう良好に制御するシステムを提供するために、より大きなネットワーク伝送容量が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４８３７４３号
【特許文献２】特許第４４１５０２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この背景によれば、本発明の全体的な目的は、多気筒内燃機関の各気筒における各燃焼サイクル中の動作事象を制御する、高処理能力で信頼性の高いフェールセーフシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的およびその他の目的は、冒頭の段落に記載されたシステムであって、さらに、前記補償データが、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表すこと、少なくとも１つのセンサ配置および制御ユニットによって通信ネットワークを介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられ、通信ネットワーク内に規定された主刻時機構ならびに刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時刻に基づいて、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置と制御ユニットの間の時間オフセットが決定され、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された時間オフセットに基づいて補償されること、ならびに前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された瞬時値、および前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されることを特徴とするシステムによって達成される。
【０００９】
このシステムは、通信ネットワークで使用される伝送方式が、予め決められた伝送方式および一定の伝送時間を持たない場合であっても、内燃機関、特に船舶の推進用機械として使用される内燃機関の制御に関する全てのデータ通信、ならびに他の目的に対しても使用することができる同じ通信ネットワーク上のセンサ配置から制御ユニットへの制御パラメータデータの伝達を実施することを可能にする。本発明に基づくこの方法は、所定の伝送方式を実現し、一定の伝送時間を有するネットワークに比べて低い費用で高い処理能力を提供する、伝送時間が決定論的でも一定でもないタイプの通信ネットワークを使用する制御システムを実現することを可能にする。個々のネットワーク装置間の局所時刻の時間オフセットの補償は、標準ネットワークを使用するときのサービスおよび保守を容易にすることに加え、例えばデータ処理に関して異なる特性を有するネットワーク装置の使用を可能にする。
【００１０】
制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの伝送とは無関係に追加のデータメッセージを送り、このような独立したデータメッセージに、送信の瞬間および受信の瞬間のタイムスタンプを割り当てることによって、センサ配置と制御ユニットの間の局所時刻の時間オフセットを決定すること与える。前記追加のデータメッセージのそれぞれに割り当てられたタイムスタンプは、動作事象の実行の求められている正確なタイミング調節および正確な制御を達成する精度、すなわち少なくともマイクロ秒の範囲の精度で時間オフセットを決定する非常に効率的で信頼性の高い方法であることが示されている。制御パラメータの捕捉された瞬時値を伝送するために使用されるデータメッセージがさらに、オフセットを決定するために使用されるタイムスタンプを含むことができること、および原則的に、全てのデータメッセージが、タイムスタンプに加えて制御パラメータを含むことは明白である。
【００１１】
上述の制御法に基づく方法の実現に関して、本発明の追加の態様によれば、各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関の各気筒ごとに、その多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御するシステムであって、各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を捕捉する少なくとも１つのセンサ配置と、
この多気筒内燃機関の各気筒の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニットに、前記制御パラメータの瞬時値を、通信ネットワークを介して伝送されるデータメッセージに含まれたディジタル制御パラメータ信号として伝達する通信ネットワークと、
通信ネットワークを介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表す補償データを含めることによって補償する制御ユニットとを備え、少なくとも１つのセンサ配置および制御ユニットによって通信ネットワークを介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられ、前記通信ネットワークが、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置と制御ユニットの間の時間オフセットを決定するために、刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時間とともに使用される主刻時機構を備え、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された時間オフセットに基づいて補償され、前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された瞬時値、および前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されるシステムが提供される。
【００１２】
好ましい一実施形態では、前記制御パラメータの瞬時値が、前記気筒のうちの各気筒のピストン構成要素に接続された機関クランク軸の瞬時位置を含む。
本発明を実現する制御法および制御システムの特に好ましい実施形態では、独立した通信ネットワークを介して制御ユニットへデータメッセージをそれぞれ送信する２つの独立したセンサ配置の使用を含む冗長動作のためのシステムが構築される。これにより、各制御ユニットは、それぞれのセンサ配置からデータメッセージを受け取ることができ、少なくとも２つの独立した通信ネットワークを介したこのようなメッセージの伝達によって、高いレベルの信頼性およびフェールセーフ動作が得られる。それぞれのセンサ配置が、両方の冗長通信ネットワークを介してデータメッセージを伝達するときには、一方の通信ネットワークの信号線が破損した場合であっても、両方のセンサ配置からのデータメッセージを制御ユニットに伝達することができる。
【００１３】
このような交差冗長性を提供する本発明に基づく方法およびシステムの他の発展実施形態を得ることができ、この実施形態では、少なくとも２つの独立した通信ネットワークを介して、気筒上に分配された気筒制御ユニットへデータメッセージをそれぞれ送信する少なくとも２つの独立した機関制御ユニットの使用を含む冗長動作のためのシステムが構築される。このシステムは、異なる種類の計算が、異なるタイプの制御ユニットで実施されることを可能にし、それによって、異なる種類の計算が、通信ネットワーク内のデータメッセージの伝送を制限することを可能にし、それによって、動作事象の実行のタイミングがよりいっそう正確に調節される。
【００１４】
発展させた他の実施形態では、２つの独立した通信ネットワークの主刻時機構を規定するために、少なくとも２つの独立した機関制御ユニットのうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置のうちの１つのセンサ配置のいずれかが選択される。
【００１５】
センサ配置および機関制御ユニットが冗長であり、２つの独立した通信ネットワークの主刻時機構を規定するためにそれらのうちの１つが選択されるときには、選択された主刻時機構が故障または破損した場合に、新しい主刻時機構を容易に選択することができる。これが可能なのは、残りの機関制御ユニットおよびセンサ配置が冗長構成で接続されており、したがって選択された主刻時機構の破損を発見することができるためである。その場合、残りの機関制御ユニットおよびセンサ配置の中で主刻時機構を選択するルーチンが開始される。
【００１６】
以下の説明から明らかになるが、本発明に基づく方法の性能試験によれば、センサ配置から制御ユニットへの実時間メッセージ伝達からの偏差を補償することによって、信頼性および正確さに関して、所定の伝送方式および一定の伝送時間を有する伝送モードに基づくシステム内の実現と十分に競合する、各燃焼サイクル中の動作事象の制御を達成することができることが確認された。
【００１７】
本発明の有利な実施形態の好ましい一実施多様の実行に関して、通信ネットワークを介したデータメッセージの前記伝送は、少なくとも１つのセンサ配置による前記制御パラメータの瞬時値の前記捕捉とは無関係に実施され、データメッセージ内に含まれる前記補償データは、前記制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間におけるデータメッセージに含まれるディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含む。
【００１８】
この情報があれば、制御ユニットがある動作事象を実行するクランク軸の位置の時刻の瞬間を計算することが可能である。それによって、データメッセージを受け取るとすぐに計算を実施することができ、制御ユニットは、待機し、または単に動作事象が実施されなければならない時刻の瞬間を待つことができる。
【００１９】
このような冗長な方法およびシステムの実現では、制御ユニットごとに、前記制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置のうちの各センサ配置から送信されたメッセージに対して生成され、メッセージから得られた前記制御パラメータの推定値を前記センサ配置のうちの単一センサ配置から選択する選択が、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施されることがさらに好ましい。
【００２０】
次に、概略図によって示される好ましい一実施形態を参照して、本発明の制御法および制御システムの動作、構造および利点をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】４気筒ディーゼル機関の冗長電子制御システムの極めて概略的な図である。
【図２】本発明に基づく電子制御システム内で使用されるネットワーク装置の同期を例示するために実施されたデータメッセージ伝送の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１の極めて概略的な図は、本発明に基づく冗長電子制御システムを実現するディーゼル機関を示している。この制御システムは、機関クランク軸の角位置を表す制御パラメータの別々の瞬時値が、典型的には光電子センサ配置である２つのセンサ配置３、３’のうちの各センサ配置内のいくつかの検出構成要素によって検出、捕捉され、それらの瞬時値が、データメッセージ内のディジタル制御パラメータ信号として、独立した冗長通信ネットワーク１０、１０’内の個々の専用信号線を介して、センサ配置３、３’から、センサ配置３、３’から受け取ったディジタル制御パラメータ信号に応じて、各気筒内の燃焼プロセスのタイミングを調節し、各気筒内の燃焼プロセスを制御する２つの冗長中央機関制御ユニット４、４’および機関気筒２に関連づけられたいくつかの気筒制御ユニット５に伝達される方式で動作する。図１に示された実施形態では、センサ配置３、３’が、両方の通信ネットワーク１０、１０’に冗長構成で接続されているが、通信ネットワーク１０、１０’のうちの一方の通信ネットワークにだけセンサ配置３、３’が接続されたシステムとして本発明を実現することもできる。中央機関制御ユニット４、４’はそれぞれ、一方で、冗長通信ネットワーク１０、１０’を介して各気筒制御ユニット５にさらに接続されており、他方で、いくつかの外部コマンド端子および／または監視端子のそれぞれに接続されている。本発明の好ましい一実施形態では、このネットワーク通信が、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）などの、伝送時間が一定でなく、伝送方式も予め決められていないタイプのネットワークに基づく。冗長ネットワーク１０、１０’はそれぞれ、ネットワーク装置を接続する中央ネットワークユニット１１、１１’、すなわちセンサ配置３、中央機関制御ユニット４、４’および気筒制御ユニット５を接続する中央ネットワークユニット１１、１１’、好ましくはＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）スイッチを備える。
【００２３】
中央機関制御ユニット４、４’は一般に、少なくとも機関クランク軸の瞬時角位置を別々の感知点で捕捉するセンサ配置３、３’からだけでなく、機関上に配置された複数の感知ユニットおよび外部ユニットからも監視および制御信号を受け取り、気筒制御ユニットと他の一般的な機関ユニットの両方に制御信号を伝達する。したがって、中央機関制御ユニット４、４’は、制御パラメータの瞬時値に関する制御信号を気筒制御ユニット５に伝達する役目を果たすだけでなく、機上に配置された他の機関制御機能を動作させる目的にも使用される。
【００２４】
センサ配置３、３’からの制御信号は、中央機関制御ユニット４、４’と気筒制御ユニット５の両方に伝達されるため、制御パラメータの推定値の計算は、中央機関制御ユニット４、４’でも、または気筒制御ユニット５でも実施することができる。しかしながら、通信ネットワーク１０、１０’内のデータパケットの量を減らすため、この計算は、分散され、個々の気筒制御ユニット５と中央機関制御ユニット４、４’の両方で実施されることが好ましい。その場合、中央機関制御ユニット４、４’から伝達される制御信号は、所望の動作条件または機関負荷の変更に関係し、受け取った制御信号に基づいて、その動作条件または機関負荷を変更するために必要な制御パラメータの値を推定するのに必要な計算を実施するように、気筒制御ユニットをプログラムすることができる。このシステムがＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）通信によって実現されるときには、その通信が、ブロードキャストまたはマルチキャストに基づき、そのシステムをスタートポロジとして実現するスイッチによって再伝送が実施可能になることに加えて、原則的に、全てのネットワーク装置が、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを受け取る。このネットワーク通信を実施するスイッチなどの中央ネットワーク装置の存在は結局、データメッセージの再伝送および再伝送されたデータメッセージの非確定的な遅延に帰着する。前記通信ネットワーク１０、１０’を介した前記データメッセージの伝送は、少なくとも１つのセンサ配置３、３’による制御パラメータの瞬時値の捕捉とは無関係に実施され、この計算に使用され、データメッセージ内に含まれる補償データは、制御パラメータの瞬時値を捕捉した瞬間におけるデータメッセージに含まれるディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含むことが好ましい。
【００２５】
中央機関ユニット４、４’は、例えば気筒内へ噴射される燃料の量を計算することによって機関回転数を制御する機関クランク軸の瞬時角位置を少なくとも使用し、機関クランク軸の位置を使用して、いつ、どの気筒制御ユニットに、中央機関ユニット４、４’によって計算された燃料噴射を実施するように命令するのかを決定する。機関クランク軸の瞬時角位置に関して、気筒制御ユニット５は、中央機関ユニット４、４’によって計算された量の燃料噴射を計算し、実施する。
【００２６】
制御ユニット４、４’；５での制御パラメータの推定値の計算、すなわち特定の瞬間における機関クランク軸の位置の推定値の計算は、連続するデータメッセージの受信と受信の合間に実施され、この計算は例えば、外挿期間内ではクランク軸の速度が一定であると仮定する線形外挿法に基づくことができる。外挿期間ｔｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎは、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを受け取った瞬間の時刻と制御パラメータを捕捉した瞬間の時刻との間の時間差として決定される。
【００２７】
クランク軸の位置のそれぞれの捕捉に、クランク軸の位置を捕捉した瞬間の時刻が割り当てられているときには、クランク軸の位置の連続する測定と測定の間の時間差を用いて、いくつかの捕捉された値を記憶することによって、クランク軸の角速度を計算することができる。この計算は、センサ配置で実施し、制御ユニットに伝達することができ、あるいは制御ユニットで実施することができる。気筒内に噴射される燃料の量を計算する目的など、いくつかの目的のため、角速度は、最も新しく受け取られた機関クランク軸の瞬時角位置の値と、以前の値との差を使用することによって計算することができ、例えば５個おきまたは１０個おきに捕捉された値の差が使用される。これは、計算された平均角速度を、より高い分解能で提供し、ある計算に対しては有利だが、動作事象の実行に対しては有利ではない。
【００２８】
制御ユニット４、４’；５ごとに、制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置のうちの各センサ配置から受け取ったデータメッセージに対して独立に生成されように、このシステムを冗長構成で動作させると有利であり、メッセージから得られた制御パラメータの推定値を前記センサ配置のうちの単一のセンサ配置から選択する選択は、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施される。
【００２９】
選択基準は例えば、能動的センサ配置として選択され、その制御パラメータが、制御ユニット４、４’；５において計算を実行するために使用されるセンサ配置３、３’から到来するデータメッセージの頻度とすることができる。能動的センサ配置とは、制御パラメータの推定値の計算に使用される制御パラメータを含むデータメッセージを送信する方のセンサ配置を意味し、計算に対して捕捉した制御パラメータが使用されないもう一方のセンサ配置は、待機状態にあると言われることがある。例えば、あるセンサ配置が、ある期間にわたってデータメッセージを送信しない場合には、もう一方のセンサ配置が能動的センサ配置として選択され、センサ配置から受け取った２つのデータメッセージ間の期間が、２つのデータメッセージ間の以前の期間からかなり外れており、そのことが、機関の可能な加速または減速と比較して現実的でない場合には、そのデータメッセージを破棄することができ、もう一方のセンサ配置を能動的センサ配置として選択することができる。さらに、センサ配置の検出構成要素、すなわち、好ましくは光電気符号器は、グレイコードおよび直交符号化を使用して実現される。
【００３０】
センサ配置の機能不良も検出する一実施形態では、各センサ配置が、クランク軸のカムの位置を検出する近接センサを備える。すなわち、この近接センサは、クランク軸が１回転するごとにカム検出信号を提供する。この情報を使用して、センサ配置の検出構成要素がクランク軸に対して回転されているかどうかを検出することができる。
【００３１】
通信ネットワーク１０、１０’が、イーサネット（登録商標）などの、伝送時間が確定的でなく、伝送時間および送信の瞬間が予測できないタイプのネットワークに基づくことを可能にするため、あるネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’が主装置（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）として選択され、選択されたネットワーク装置が、通信ネットワーク１０、１０’の主刻時機構を規定する。このとき、残りのネットワーク装置は、この主刻時機構を同期基準として使用するスレーブの装置である。各ネットワーク装置は実時間刻時機構を有し、あるネットワーク装置が主装置として選択されているとき、残りのネットワーク装置は、それらのネットワーク装置の実時間刻時機構を主装置の実時間刻時機構に同期させなければならない従装置である。
【００３２】
好ましい一実施形態では、少なくとも２つの独立した機関制御ユニット４、４’のうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置３、３’のうちの１つのセンサ配置が、２つの独立した通信ネットワーク１０、１０’の主刻時機構として選択される。通信ネットワーク１０、１０’内で通信しているネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’に対する主刻時機構として選択されることを唯一の目的とする１つまたは複数の追加の冗長ネットワーク装置を、それらの通信ネットワークに接続することができることは明白である。その場合には、予め決められたネットワーク装置が、主刻時機構を規定する主装置として選択される。しかしながら、主刻時機構として選択されたネットワーク装置が破損し、または一時的に動作不良を起こした場合に、新しいネットワーク装置が主刻時機構として選択されるように、主装置は、さまざまなタイプの選択基準を使用して、ネットワーク装置間の刻時データメッセージの交換によって選択されることが好ましい。このことは、動作時において、通信ネットワークの変更後の迅速な再構成を可能にし、このシステムの障害許容力をより高いものにする。
【００３３】
さらに、冗長構成のネットワーク装置であり、両方の通信ネットワーク１０、１０’に接続されたネットワーク装置だけが主刻時機構として選択され、それによって、そのようなネットワーク装置が、両方のネットワーク１０、１０’に対する主刻時機構の働きをすることが好ましい。したがって、主装置として機能しているネットワーク装置が故障した場合に新しい主装置を選択することができるように、主装置は、センサ配置３、３’または機関制御ユニット４、４’の中の１つの中で選択されることが好ましい。能動的センサ配置３、３’の選択に関連して使用される上述の例と調和する異なる種類の選択基準を、通信ネットワークの主装置を選択する目的に使用することもできる。
【００３４】
捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージを伝送するときの精度は、ネットワーク装置の実時間同期に左右される。ネットワーク装置３、３’；４、４’；５；１１、１１’の実時間刻時機構を同期させるために、少なくとも１つのセンサ配置３、３’および制御ユニット４、４’；５による、捕捉された制御パラメータを含むデータメッセージの通信ネットワーク１０、１０’を介した伝送とは無関係に、追加の刻時データメッセージが伝送され、それらの追加の刻時データメッセージには、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられる。通信ネットワーク１０、１０’内の選択された主装置ならびに刻時データメッセージに割り当てられた送信時刻および受信時刻が、通信ネットワーク内の少なくとも１つのセンサ配置３、３’と制御ユニット４、４’；５との間の局所時刻の時間オフセットを決定するために使用される。それによって、従装置は、主装置の実時間刻時機構と一致するように、それらの従装置自体の局所実時間刻時機構を同期させることができ、または、他の方法で、捕捉された制御パラメータに割り当てられた時刻が、主装置と従装置の間の実時間オフセットを考慮することによって補償されていることを保証することができる。
【００３５】
この時間オフセットを決定するため、主装置として選択されたネットワーク装置は、現在の時刻を、同期メッセージに含めて従装置に定期的に送信し、送信の瞬間に、主装置は、同期メッセージに送信タイムスタンプを割り当て、同期メッセージの受信時に、各従装置は、その同期メッセージに受信タイムスタンプを割り当てる。ネットワーク装置間の時間オフセットを決定するため、従装置は、同期メッセージのネットワーク通過時間を個別に決定する。したがって、ネットワーク通過時間は、各従刻時機構から主刻時機構への往復時間を連続的に測定することによって、間接的に決定される。
【００３６】
図２は、主刻時機構と従装置として動作しているネットワーク装置との間の同期を、これらのネットワーク装置間の実時間オフセットを決定することによって可能にするために実施された刻時データメッセージの伝送を示す。一般に、特定の時刻における従装置と主装置の間の時間オフセットは、Ｏ（ｔ）＝Ｓ（ｔ）−Ｍ（ｔ）として与えられ、この式で、Ｓ（ｔ）は、物理時刻ｔにおいて従装置で測定された実時間、Ｍ（ｔ）は、物理時刻ｔにおいて主装置で測定された実時間である。このオフセットは、ネットワーク装置の実時間刻時機構の相違に帰着するネットワーク装置内のハードウェアおよびソフトウェア実現の相違に関係するため、実際には、このオフセットは、非常に小さくゼロに近いものとして現れる。図２に示されているように、時刻ｔ１に、主装置２０が、同じ伝送ネットワークに接続された全ての従装置４０に同期メッセージ２０を送信する。この例では、原理を説明するときに平易になるように、１つの従装置４０だけが存在し、スイッチは省かれている。主装置２０からの送信時に、同期メッセージ２１にタイムスタンプｔ１が割り当てられ、受信時に、従装置４０が、局所時刻ｔ１’を記録する。主装置２０と同期するために、従装置４０は、同期メッセージ４１のネットワーク通過時間ｔｔｒａｎｓｉｔを決定しなければならない。ネットワーク通過時間ｔｔｒａｎｓｉｔは、従装置４０が時刻ｔ２に主装置２０に通過時間メッセージ４１を送ることによって決定される。主装置２０は、受信時に、この通過時間メッセージ４１に時刻ｔ２’を割り当て、割り当てられた時刻ｔ２’を含む返答メッセージ２２を返す。その結果、従装置４０は、時刻ｔ１、ｔ１’、ｔ２およびｔ２’についての情報を収集する。上に例示された刻時データメッセージの交換によって得られたこの情報は、以下の関係ｔ１’−ｔ１＝Ｏ（ｔ）＋ｔｔｒａｎｓｍｉｔおよびｔ２’−ｔ２＝−Ｏ（ｔ）＋ｔｔｒａｎｓｍｉｔを確立するために使用される。これらの関係を結合すると、式Ｏ（ｔ）＝（ｔ１’−ｔ１−ｔ２’＋ｔ２）／２を得ることができ、この式は、実時間刻時機構の相違と、一定でも確定的でもないために時間とともに変化する主装置と従装置の間のネットワーク伝送時間の両方を考慮したオフセットを規定する。図２に示されているように、時刻ｔｎおよびｔｎ＋１に刻時データメッセージを送信することによって、データメッセージの伝達は、継続中のプロセスである。
【００３７】
本発明の実用上好ましい一実施形態では、主装置と従装置の間の時間オフセットが非常に小さいことを利用することによって、主装置と従装置の間の継続した同期および刻時データメッセージの伝送が実現される。このことは、時間オフセットのかなりの変化に帰着する刻時データメッセージを破棄し、次のデータメッセージを待って、その後に従装置の実時間を調整することによって達成される。スイッチ内での衝突および対応する再伝送に起因する遅延によって、決定された時間オフセットがかなり変化することがあるため、このことは有利である。あるいは、全ての刻時データメッセージを使用することができるように、例えばデータメッセージのこのような再伝送に起因する遅延についての情報をデータメッセージに追加することによって、そのような遅延についての情報を提供するように、配備されたスイッチを適合させることもできる。
【００３８】
一般に、従装置の実時間刻時機構は、決定された時間オフセットを用いて、位相同期電圧制御発振器を使用することによって、またはディジタル式に、タイムユニットあたりのクロック信号数を調整することによって、あるいは、時間オフセットが決定される期間を短くし、もしくは延長することによって調整することができる。したがって、主装置と従装置の間の時間オフセットは、従装置内で局所的に実施され、制御パラメータの推定値の計算を関係づける計算とは分離されることが好ましい。
【００３９】
主装置と従装置の間の時間オフセットのこの決定は、図２に示され、上で説明したデータメッセージの交換が、時間オフセットが一定であると仮定することができる非常に短い時間にわたって実施されるという仮定、および主装置から従装置へ伝送するときと従装置から主装置へ伝送するときの通過時間が同じであるという仮定に基づく。さらに、主装置と従装置の両方が、データメッセージの送信および受信時刻を割り当てることができることも要件である。
【００４０】
したがって、好ましい一実施形態では、本発明に基づく方法およびシステムが、２つの目的でデータメッセージを伝達することを含む。第１に、センサ配置によって捕捉された制御パラメータを制御ユニットに提供する目的で、データメッセージが通信ネットワークを介して伝送される。第２に、ネットワーク装置間の局所実時間の時間オフセットを決定するために、刻時データメッセージが伝達される。
【００４１】
機関のクランク軸位置などの制御パラメータが１つのネットワーク装置で捕捉され、その制御パラメータが、伝送時間が確定的でも一定でもない通信ネットワークを介して別のネットワーク装置に伝送されたときに、各燃焼サイクリング中の動作事象の実行を多気筒内燃機関の各気筒ごとに制御することを可能にする方法およびシステムを開示する点で、本発明は有利である。
【符号の説明】
【００４２】
２ 機関気筒
３ センサ配置
３’ センサ配置
４ 中央機関制御ユニット
４’ 中央機関制御ユニット
５ 気筒制御ユニット
１０ 通信ネットワーク
１０’ 通信ネットワーク
１１ 中央ネットワークユニット
１１’ 中央ネットワークユニット
２０ 主装置
２１ 同期メッセージ
２２ 返答メッセージ
４０ 従装置
４１ 通過時間メッセージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関（１）の各気筒（２）ごとに、前記多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御する方法であって、
各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を、少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）によって捕捉するステップと、
前記多気筒内燃機関の各気筒（２）の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニット（４、４’；５）に、前記制御パラメータの前記瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として伝達するステップであり、前記制御パラメータの前記瞬時値が、通信ネットワーク（１０、１０’）を介して伝送されるデータメッセージに前記ディジタル制御パラメータ信号を含めることによって伝達されるステップと、
前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記データメッセージに補償データを含め、前記制御ユニット（４、４’；５）による連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、前記制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップと
を含む方法において、
前記補償データが、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表し、前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）および前記制御ユニット（４、４’；５）によって前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられること、
前記通信ネットワーク（１０、１０’）内に規定された主刻時機構ならびに前記刻時データメッセージに割り当てられた前記送信時刻および前記受信時刻に基づいて、前記通信ネットワーク内の前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）と前記制御ユニット（４、４’；５）の間の時間オフセットが決定され、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された前記時間オフセットに基づいて補償されること、ならびに
前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された前記瞬時値、および前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの前記捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されること
を特徴とする方法。
【請求項２】
前記制御パラメータの前記瞬時値が、前記気筒のうちの各気筒のピストン構成要素に接続された機関クランク軸の瞬時位置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
独立した通信ネットワーク（１０、１０’）を介して前記制御ユニット（４、４’；５）へデータメッセージをそれぞれ送信する２つの独立したセンサ配置（３、３’）の使用を含む冗長動作を特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも２つの独立した通信ネットワーク（１０、１０’）を介して、前記気筒（２）上に分配された気筒制御ユニット（５）へデータメッセージをそれぞれ送信する少なくとも２つの独立した機関制御ユニット（４、４’）の使用を含む冗長動作を特徴とする、請求項１から３に記載の方法。
【請求項５】
前記２つの独立した通信ネットワーク（１０、１０’）の主刻時機構を規定するために、前記少なくとも２つの独立した機関制御ユニット（４、４’）のうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置（３、３’）のうちの１つのセンサ配置が選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介した前記データメッセージの前記伝送が、前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）による前記制御パラメータの前記瞬時値の前記捕捉とは無関係に実施されること、およびデータメッセージ内に含まれる前記補償データが、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間における前記データメッセージに含まれる前記ディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
各制御ユニット（４、４’；５）ごとに、前記制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置（３、３’）のうちの各センサ配置から送信されたデータメッセージに対して生成され、メッセージから得られた前記制御パラメータの前記推定値を前記センサ配置のうちの単一センサ配置から選択する選択が、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項１】
各燃焼サイクル中の動作事象の実行を、多気筒内燃機関（１）の各気筒（２）ごとに、前記多気筒内燃機関の各回転中に時間とともに変化する制御パラメータに応じて制御する方法であって、
各回転中の複数の別々の瞬間における前記制御パラメータの瞬時値を、少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）によって捕捉するステップと、
前記多気筒内燃機関の各気筒（２）の各燃焼サイクル中の動作事象の実行のタイミングを調節し、該実行を制御する制御ユニット（４、４’；５）に、前記制御パラメータの前記瞬時値を、ディジタル制御パラメータ信号として伝達するステップであり、前記制御パラメータの前記瞬時値が、通信ネットワーク（１０、１０’）を介して伝送されるデータメッセージに前記ディジタル制御パラメータ信号を含めることによって伝達されるステップと、
前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介した前記伝送に起因する前記ディジタル制御パラメータ信号の実時間伝達からの偏差を、前記データメッセージに補償データを含め、前記制御ユニット（４、４’；５）による連続するデータメッセージの受信と受信の合間に、前記制御パラメータの推定値を計算することによって補償するステップと
を含む方法において、
前記補償データが、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻を表し、前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）および前記制御ユニット（４、４’；５）によって前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介して伝送される刻時データメッセージに、送信の瞬間の送信時刻および受信の瞬間の受信時刻が割り当てられること、
前記通信ネットワーク（１０、１０’）内に規定された主刻時機構ならびに前記刻時データメッセージに割り当てられた前記送信時刻および前記受信時刻に基づいて、前記通信ネットワーク内の前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）と前記制御ユニット（４、４’；５）の間の時間オフセットが決定され、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻が、決定された前記時間オフセットに基づいて補償されること、ならびに
前記計算が、前記制御パラメータの捕捉された前記瞬時値、および前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間の時刻と前記制御パラメータの前記捕捉された瞬時値を含むデータメッセージの受信時刻との間の時間差から実施されること
を特徴とする方法。
【請求項２】
前記制御パラメータの前記瞬時値が、前記気筒のうちの各気筒のピストン構成要素に接続された機関クランク軸の瞬時位置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
独立した通信ネットワーク（１０、１０’）を介して前記制御ユニット（４、４’；５）へデータメッセージをそれぞれ送信する２つの独立したセンサ配置（３、３’）の使用を含む冗長動作を特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも２つの独立した通信ネットワーク（１０、１０’）を介して、前記気筒（２）上に分配された気筒制御ユニット（５）へデータメッセージをそれぞれ送信する少なくとも２つの独立した機関制御ユニット（４、４’）の使用を含む冗長動作を特徴とする、請求項１から３に記載の方法。
【請求項５】
前記２つの独立した通信ネットワーク（１０、１０’）の主刻時機構を規定するために、前記少なくとも２つの独立した機関制御ユニット（４、４’）のうちの１つの機関制御ユニット、または少なくとも２つの独立したセンサ配置（３、３’）のうちの１つのセンサ配置が選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記通信ネットワーク（１０、１０’）を介した前記データメッセージの前記伝送が、前記少なくとも１つのセンサ配置（３、３’）による前記制御パラメータの前記瞬時値の前記捕捉とは無関係に実施されること、およびデータメッセージ内に含まれる前記補償データが、前記制御パラメータの前記瞬時値を捕捉した瞬間における前記データメッセージに含まれる前記ディジタル制御パラメータ信号の変化率を表す追加の補償データを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
各制御ユニット（４、４’；５）ごとに、前記制御パラメータの前記推定値が、前記センサ配置（３、３’）のうちの各センサ配置から送信されたデータメッセージに対して生成され、メッセージから得られた前記制御パラメータの前記推定値を前記センサ配置のうちの単一センサ配置から選択する選択が、少なくとも１つの選択基準に従った選択によって実施されることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２２５３３８（Ｐ２０１２−２２５３３８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２１０８４８（Ｐ２０１１−２１０８４８）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（５９４１４０９０４）マン・ディーゼル・アンド・ターボ，フィリアル・アフ・マン・ディーゼル・アンド・ターボ・エスイー，ティスクランド (22)
【住所又は居所原語表記】Ｃｅｎｔｅｒ Ｓｙｄ，１６１ Ｓｔａｍｈｏｌｍｅｎ，ＤＫ−２６５０ ＨＶＩＤＯＶＲＥ，Ｄｅｎｍａｒｋ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１０８４８（Ｐ２０１１−２１０８４８）
【出願日】平成２３年９月２７日（２０１１．９．２７）
【出願人】（５９４１４０９０４）マン・ディーゼル・アンド・ターボ，フィリアル・アフ・マン・ディーゼル・アンド・ターボ・エスイー，ティスクランド (22)
【住所又は居所原語表記】Ｃｅｎｔｅｒ Ｓｙｄ，１６１ Ｓｔａｍｈｏｌｍｅｎ，ＤＫ−２６５０ ＨＶＩＤＯＶＲＥ，Ｄｅｎｍａｒｋ
【Ｆターム（参考）】
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