JP4204645B2 - 内燃エンジンの爆発検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃エンジン用の燃焼混合物の制御されない燃焼を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
既に知られているように、ある動作状況では内燃エンジンは爆発、すなわち燃焼混合物の制御されない燃焼が発生し、これは厳しい環境で多数のエンジンサイクルで生じるとき効率を悪化し、エンジンの重大なオーバーヒートを招き、動作寿命を短くし、エンジンのある部分では重大な故障を生じる。
【０００３】
この問題を解決するために、制御されない燃焼現象を検出するために幾つかのシステムが提案されており、また現在開発が進められている。その検出結果を使用して燃焼パラメータを制御することによって制御されない燃焼またはその可能性を減少させることができる。
【０００４】
このようなシステムは主として直接的または間接的な監視と、シリンダ内のピストン位置の関数としての圧力と、最上部死点の中心位置に近接するピークを有するベル型のサイクル曲線とに基づいている。通常の燃焼の状態では、そのような特性曲線のピークは典型的に丸みを有しているが、制御されない燃焼の場合には特性曲線は多数の刻みを持つぎざぎざのエッジを有する（図１ａと１ｂ）。
【０００５】
これらの特性曲線の刻みの解析によって制御されない燃焼の検出のために有用な情報が与えられる。幾つかの既知の方法は刻みの振幅を直接検出するために燃焼室内に位置するセンサを使用する。このようなセンサの配置は正確性が高く信頼性のある値が得られることを可能にするが、センサは精巧で高価な技術を含んでおり、それ故、研究所または原形の使用に限定される。
別の方法ではエンジンブロックに固定されている振動センサを使用しており、これは技術的には簡単で廉価であるが、エンジンブロックで測定された振動によってシリンダ内の圧力のブロックフィルタ変化に加えて他の現象により生じるので、直接方向と比較して読取りに大きな妨害になる。
【０００６】
日本電装株式会社による英国特許第Ａ-2 265 006号明細書にはエンジンブロックに取り付けた燃焼を監視するセンサを使用する燃焼制御システムが記載されており、これはセンサ信号の強度と決定しきい値とを比較することによって制御されない燃焼の存在を検出し、注入の制御等によりエンジンパラメータを制御することにより制御されない燃焼を除去している。特に、このシステムではセンサ信号強度を対数値に変換し、その分布を算出し、前記分布の標準偏差に対応する値を計算し、その値を、先に計算された値および前記分布の平均値に基づいて計算されたしきい値と比較している。
センサの出力信号を狭帯域濾波することにより得られるスペクトル成分の振幅を表す数値を処理することによって分布が決定され、その信号は多数の高調波を含んでおり、その中の最高のエネルギ内容を有する高調波だけを抽出するように狭帯域幅濾波される。
【０００７】
前述の英国特許明細書では、平均値と標準偏差が一時に１つのエンジンサイクルについて各サイクルの制御されない燃焼に対するしきい値を使用して計算されている。
しかしながら、一時に１つのスペクトル周波数と１つのエンジンサイクルに基づいてエンジンの動作を制御するのは限定的な方法であり、場合によっては適切ではない。すなわち、ある１つの周波数だけに集中すると、制御されない燃焼によって付勢される他の周波数が無視されるので、前記英国特許明細書の方法のように単に１サイクルづつ局部的な制御されない燃焼を除去するようにエンジンを制御する方法はすぐれた解決策ではない。その理由は、多数のエンジンサイクルで、またはあるシリンダだけで所定数の制御されない燃焼を可能にすることによってエンジン効率を向上させようと試みる場合があるからである。実際、トレース燃焼は、高度の効率を可能にする好ましいエンジン動作状態であり、そのような動作のエンジンも開発されている。
別の問題として、決定しきい値を使用するためには非常に多数のプロセスが必要であり、そのため前記英国特許明細書の方法では実行がさらに複雑になる。
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
本発明の目的は、前述の欠点を除去することのできる内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼を検出する方法を提供することであり、これは燃焼の最適な制御を行うことを可能にする。
【０００９】
本発明による内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼の検出方法は、内燃エンジンに燃焼混合物の制御されない燃焼を検出する加速度センサを取り付け、連続的に反復される内燃エンジンの各燃焼において燃焼状態に対応して出力される加速度センサの出力信号を処理し、各燃焼における加速度センサの出力信号の処理は、
ａ）加速度センサの出力信号を５ｋＨｚ乃至２５ｋＨｚの範囲の帯域幅の帯域フィルタを使用して広帯域濾波し、
ｂ）前記濾波された加速度センサの出力信号を整流して中間信号を生成し、
ｃ）前記中間信号を積分してその積分値の対数を計算して中間信号の積分値の対数値を生成し、
ｄ）この中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）とその前の燃焼の反復で得られた中間信号の積分値の対数値との平均値（μ_i）を計算し、
ｅ）前記中間信号の積分値の対数値と前記平均値とを使用して標準偏差値を計算し、
ｆ）計算された標準偏差値に基づいて内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼の性質を表す爆発係数値を計算するステップを有していることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して例示により説明するが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。
図２には内燃エンジン2に固定されている内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼の検出を行うための検出装置1が示されており、図では図面を簡単にするために内燃エンジンのブロック3とシリンダ4のみが示されている。
【００１１】
検出装置1は、エンジン2のブロック3に固定され、燃焼混合物の制御されない燃焼によりブロック3で生成される振動強度を表す信号Ｄを発生する既知の形式の加速度センサ5（詳細には説明しない）と、この加速度センサ5によって検出された信号Ｄが供給され、以下説明する動作を実行する中央処理装置6とを備えている。本発明による検出方法の第１、第２の実施形態に関するフローチャートは図３および８に示されている。
図３、８で示されている動作は燃焼混合物の制御されない燃焼を連続的に監視するために内燃エンジン２の各燃焼に対して反復して行なわれ、所定のｉ番目の反復の燃焼動作で計算された各値は下付き“ｉ”で示されている。
【００１２】
本発明による検出方法の第１の実施形態では、図３のフローチャートで示されているように、内燃エンジン2の各燃焼において、加速度センサ5により発生されたエンジン2のブロック3に関係して検出される振動強度を表す信号Ｄが加速度センサ5によって生成される（ブロック10）。
加速度センサ5によって出力された信号Ｄはその後、広帯域濾波され（ブロック11）、濾波された信号は整流されて中間信号が生成され（ブロック12）、その中間信号が積分される（ブロック13）。
【００１３】
その後、積分されて得られた積分値の対数が計算されて対数値ｘ_iが生成され（ブロック14）、それに対応する平均値μ_iがその対数値ｘ_iを使用して後述するように計算され（ブロック15）、このようにして計算された対数値ｘ_iおよび平均値μ_iを使用して標準偏差値σ_iが計算される（ブロック16）。
【００１４】
計算された標準偏差値σ_iと予め定められたしきい値σ₀との差Δσ_iはエンジン2の速度および負荷に基づいて計算される（ブロック17）。最後に、このようにして計算された差の値Δσ_iを使用してエンジン2の燃焼混合物の制御されない燃焼の“性質”を表す爆発係数ＫＩ_iが決定される。
【００１５】
爆発係数ＫＩ_iは、例えば次の式（1）を使用して決定される。
ＫＩ_i＝Δσ・ｅ^(RPM/C) （1）
この式でＲＰＭはエンジン2の１分当りの回転数を示し、Δσ_iはブロック17で計算された標準偏差値σ_iと予め定められたしきい値σ₀との差の値であり、Ｃは適当な定数（例えば１０００）である。この式の場合には、爆発係数ＫＩ_iはエンジン負荷に依存していない。
【００１６】
図３の各ステップについてさらに詳しく説明すると、加速度センサ5により発生された信号Ｄの濾波に使用される帯域幅は図４の曲線を解析することによって実験的に決定される。図４は横軸が濾波帯域幅、縦軸が標準偏差σ_iを示して描かれたエンジン2の制御されない燃焼サイクルと制御された燃焼サイクルに関する標準偏差σ_iと濾波帯域幅との関係を示しているグラフである。両曲線は帯域幅の平方根に反比例した形状ており、両者の標準偏差σ_i間の比率は帯域幅の増加と共に増加している。それ故、この実験結果から、広帯域濾波には例えば５ｋＨｚ乃至２５ｋＨｚの帯域幅が選択されることが好ましい。このような広帯域濾波された信号Ｄを使用することによって標準偏差に対して最大の可能な情報量を使用することができる。
【００１７】
濾波された信号は前述のようにブロック12で整流されて中間信号が生成され、それは次にブロック13で積分される。その積分時間はタイムウィンドウで規定され、そのタイムウィンドウは、例えば反復的な各燃焼の燃焼サイクルにおけるピストンの最上部死点の中央位置のすぐ後でシリンダ4の燃焼と共に開始し、したがって積分はこの時点から開始され、タイムウィンドウの時間幅である積分の時間はエンジン2の速度と負荷に基づいて選定される。
【００１８】
次に、積分されたｉ番目の反復における中間信号の積分値の対数値ｘ_iがブロック14で計算され、この対数値ｘ_iを使用してブロック15で平均値μ_iが計算される。
この平均値μ_iは、例えば対数値ｘ_iと、前のｉ−１番目の反復で計算された平均値μ_i-1とを使用して次の式(2)を用いて計算される。
μ_i＝（１−λ₁）・ｘ_i＋λ₁・μ_i-1 ｉ≧２ (2)
μ₁＝ｘ₁
ここで、λ₁は予め定められたパラメータである。
【００１９】
この式(2)で示されているように、第１の反復では、計算された平均値μ_iは前回の平均値μ_i-1がないため計算された対数値ｘ₁に一致し、一方、第２の反復からは、平均値μ_iはｉ番目の反復で計算された対数値ｘ_iとｉ−１番目の反復で計算された平均値μ_i-1の両者にしたがって更新され、それぞれパラメータλ₁にしたがって加重される。
【００２０】
図５は、信号Ｄを濾波し整流して積分して得られた積分値の対数を計算して得られた対数値ｘ_i値（小さい四角）と、連続的なエンジンサイクルで計算された平均値μ_iの時間パターン（太線）のグラフの１例を示している。
【００２１】
次に、上記のようにして計算された平均値μ_iを使用してブロック16で標準偏差σ_iが計算される。
標準偏差σ_iは次式を使用して計算される。
【数４】

ここで、ｘ_iはｉ番目の反復で計算される対数値であり、μ_iはｉ番目の反復で計算された平均値であり、σ_i、σ_i-1、σ₁はそれぞれｉ番目、ｉ−１番目および１番目の反復において計算された標準偏差値であり、λ₂は予め定められたパラメータである。
上式で示されているように、第１の反復では、平均値μ₁が計算された対数値ｘ_iに一致することにより、標準偏差値σ_iはゼロであり、一方、第２の反復から、標準偏差値σ_iはｉ番目の反復で計算された対数値ｘ_iと、ｉ番目の反復で計算された平均値μ_iと、反復ｉ−１で計算された標準偏差値σ_i-1にしたがっ_て更新され、それぞれパラメータλ2にしたがって加重される。
【００２２】
図６は、式(3)にしたがって連続的なエンジンサイクルで計算された標準偏差値σ_iの１例のグラフを示しており、図７は制御されない燃焼がない場合とある場合の標準偏差σ_iのグラフであり、これは最大負荷で連続的なエンジンサイクルで行われた研究所で行なわれた試験の結果を示したものである。特に、図７で標準偏差値が低い値の範囲で示された水平の２つの破線は標準偏差σ_iが制御されない燃焼がないときに変化する範囲を限定しており、この２つの破線の間の範囲外の値（すなわち、この範囲よりも大きい標準偏差値）は制御されない燃焼の存在によって生じたものである。エンジン2の速度の増加と共に、前記範囲は一定になり、一方、制御されない燃焼がないときの標準偏差値σ_iは図７に示されているように前記範囲内で僅かに増加する変化を示している。
【００２３】
前記範囲が一定であり、標準偏差値σ_iがエンジン2の速度の増加と共にほんの僅か変化することを考慮すると、１つの標準偏差値σ₀が定められることができて、この値σ₀がしきい値として使用され、それによってエンジン2の全速度範囲にわたって爆発係数を決定することができる。
【００２４】
前述したように計算された標準偏差値σ_iと予め定められたしきい値σ₀との差の値Δσ_iがブロック17において計算される。
計算された差の値Δσ_iはエンジン2の燃焼混合物の制御されない燃焼の“性質”を表す爆発係数ＫＩ_iを計算するためにブロック18で使用される。ブロック18における爆発係数ＫＩ_iの計算は、例えば前述の式(1)を使用して、ＫＩ_i＝Δσ・ｅ^(RPM/C)として計算される。
【００２５】
図８は、本発明の第２の実施形態におけるエンジン2の各燃焼における中央処理装置6により実行される動作のフローチャートを示している。
この第２の実施形態は、標準偏差σ_iと爆発係数ＫＩ_iが決定される方法を除いて、実質上第１の実施形態と類似している。
図８で示されているように、第１の実施形態と同様に、各燃焼に続いて加速度センサ5により発生された信号Ｄが得られ（ブロック20）、信号Ｄは広帯域幅濾波され（ブロック21）、整流され（ブロック22）、タイムウィンドウで規定された時間にわたって積分され（ブロック23）、積分により得られた積分値の対数値ｘ_iが計算され（ブロック24）、計算された対数値ｘ_iを使用して前記の式(2)にしたがって平均値μ_iが計算される（ブロック25）。
【００２６】
以上のプロセスは前述した第１の実施形態と同様であるが、標準偏差σ_iの決定方法は第１の実施形態と異なっており、計算された対数値ｘ_iと、対応して計算された更新された平均値μ_iとの比較が行われる。対数値ｘ_iが平均値μ_i以上であるならば（ブロック26からのイエス）、対数値ｘ_iは、エンジン2の連続的な燃焼で種々のシリンダ4に対して計算され、対応する更新された平均値μ_i以上である全ての値ｘ_iと共に、“正の半分布”と呼ばれる第１の半分布を限定する（ブロック27）。反対に、値ｘ_iが対応する更新された平均値μ_iに満たないならば（ブロック26からのノー）、値ｘ_iは、エンジン2の連続的な燃焼で種々のシリンダ4に対して計算され、対応する更新された平均値μ_iに満たない全ての値ｘ_iと共に、“負の半分布”と呼ばれる第２の半分布を限定する（ブロック28）。
【００２７】
この時点で、第１、第２の標準偏差に関係する量として仮定される値σ_i ⁺とσ_i ^- が対数値ｘ_i と、対応する平均値μ_i とを使用して計算される。特に、対数値ｘ_iが正の半分布値であるならば、標準偏差値σ_i ⁺とσ_i ^-は以下の式にしたがって計算される（ブロック29）。
【数５】

この式において、σ_i ⁺とσ_i ^-とはｉ番目の反復で計算された標準偏差値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はｉ番目の前のｉ−１番目の反復で計算された標準偏差値であり、μ_iはｉ番目の反復で計算された平均値であり、ｘ_iはｉ番目の反復で計算された対数値であり、λ₂は予め定められたパラメータである。
【００２８】
反対に、対数値ｘ_iが負の半分布値であるならば、標準偏差値σ_i ⁺およびσ_i ^-は以下の式にしたがって計算される（ブロック30）。
【数６】

ここで、種々の項は前に記載された式と同一の意味を有する。
１例を示すと、図９は制御されない燃焼が存在する場合の、連続的なエンジンサイクルに関する標準偏差に関係する量の値σ_i ⁺（実線）とσ_i ^-（破線）のグラフである。
【００２９】
次に、前述したように計算された標準偏差値σ_i ⁺とσ_i ^-の差Δσ_iが計算される（ブロック31）。
最後に、差の値Δσ_iはエンジン2の制御されない燃焼の“性質”を表す爆発係数ＫＩ_iを決定するために使用される（ブロック32）。
【００３０】
爆発係数ＫＩ_iは、例えば、次の式(6)を使用して決定される。
ＫＩ_i＝Δσ_i−Δσ_o (6)
この式で、Δσ_iはブロック32で計算された差であり、Δσ_oはエンジン2の速度の関数として予め定められた標準値である。
【００３１】
本発明による方法の利点を以下説明する。
まず、第１に、本発明は前述のようにしてエンジンの動作で得られる標準偏差に関して可能な最大量の情報を利用するために広帯域幅の濾波された信号に基づいて動作する。しかしながら、この方法は、制御されない燃焼には関係しない他の現象の影響を検出することも可能にしている。
爆発係数は多数のエンジンサイクル中に存在する制御されない燃焼に対する影響度を加重することによって得られる標準偏差に基づいて決定され、したがって制御されない燃焼の状態を正確に把握することを可能にし、マイナーな制御されない燃焼がトレース燃焼を制御するために検出されることを可能にする。
【００３２】
最後に、本発明は単一のパラメータである標準偏差によって制御されない燃焼現象をモデル化し、任意の動作状態および任意のタイプのエンジンに対して有効なしきい値を規定することを容易にしており、したがってエンジンの動作を実効的に制御するために必要とされるプロセスを簡単にし、必要な素子の数を減少させることができる。
本発明の技術的範囲を逸脱せずに、ここで説明し図示した方法に対する種々の変形が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃焼混合物の制御されない燃焼のないい圧力サイクルグラフと制御されない燃焼のある圧力サイクルグラフ。
【図２】本発明による検出方法を実行する内燃エンジンシステムの概略図。
【図３】本発明による検出方法の第１の実施形態のフローチャート。
【図４】燃焼混合物の制御されない燃焼のサイクルおよび制御された燃焼のサイクルに関する帯域幅と標準偏差の関係を示すグラフ。
【図５】本発明による検出方法の第１の実施形態に関する特性のグラフ。
【図６】本発明による検出方法の第１の実施形態に関する特性のグラフ。
【図７】本発明による検出方法の第１の実施形態に関する特性のグラフ。
【図８】本発明による検出方法の第２の実施形態のフローチャート。
【図９】本発明による検出方法の第２の実施形態に関する特性のグラフ。

Claims (13)

1. 内燃エンジンに燃焼混合物の制御されない燃焼を検出する加速度センサを取付け、連続的に反復される内燃エンジンの各燃焼において燃焼状態に対応して出力される加速度センサの出力信号（Ｄ）を処理し、各燃焼における加速度センサの出力信号（Ｄ）の処理は、
   ａ）加速度センサの出力信号（Ｄ）を５ｋＨｚ乃至２５ｋＨｚの範囲の帯域幅の帯域フィルタを使用して広帯域濾波し、
   ｂ）前記濾波された加速度センサの出力信号（Ｄ）を整流して中間信号を生成し、
   ｃ）前記中間信号を積分してその積分値の対数を計算して前記中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）を生成し、
   ｄ）この中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）とその前の燃焼の反復で得られた中間信号の積分値の対数値との平均値（μ_i）を計算し、
   ｅ）前記中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）と前記平均値（μ_i）とを使用して標準偏差値（σ_i）を計算し、
   ｆ）計算された標準偏差値（σ_i）に基づいて内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼の性質を表す爆発係数値を計算するステップを有していることを特徴とする内燃エンジンの燃焼混合物の制御されない燃焼の検出方法。
2. 前記爆発係数値を計算するステップが、
   前記標準偏差値（σ_i）としきい値（σ₀）との差を計算し、計算された差の値（Δσ_i）に基づいて前記爆発係数（ＫＩ_i）の値を計算するステップを有している請求項１記載の方法。
3. 前記計算された差の値（Δσ_i）に基づいて爆発係数値を計算するステップは次式を使用して計算され、
   ＫＩ_i＝Δσ_i・ｅ^(RPM/C)
   ここで、ＫＩ_iは前記爆発係数の値であり、Δσ_iは前記標準偏差値（σ_i）としきい値（σ₀）との差の値であり、ＲＰＭは内燃エンジンの１分当りの回転数を示し、Ｃは予め定められた定数である請求項２記載の方法。
4. 前記しきい値（σ₀）は予め定められた値であり、前記内燃エンジンの１分当りの回転数（ＲＰＭ）の変化するとき一定である請求項３記載の方法。
5. 前記平均値（μ_i）は次式を使用して計算され、
   μ_i＝（１−λ₁）・ｘ_i＋λ₁・μ_i-1 ｉ≧２
   μ₁＝ｘ₁
   ここで、μ_iはｉ番目の反復で計算された平均値であり、μ_i-1はｉ番目の前のｉ−１番目の反復で計算された平均値であり、ｘ₁はｉ番目の反復で計算された前記中間信号の積分値の対数値であり、λ₁は予め定められたパラメータである請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記標準偏差値（σ_i）は次式を使用して計算され、
   

   

   ここで、σ_iはｉ番目の反復で計算された標準偏差値であり、σ_i-1はｉ番目の前のｉ−１番目の反復で計算された標準偏差値であり、μ_iはｉ番目の反復で計算された平均値であり、ｘ_iはｉ番目の反復で計算された中間信号の積分値の対数値であり、λ₂は予め定められたパラメータである請求項５記載の方法。
7. 前記標準偏差値として第１と第２の標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）を計算するステップを有している請求項１記載の方法。
8. 前記爆発係数値を計算するステップは、
   前記第１と第２の標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）の間の差を計算してそれら２つの標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）の差の数値（Δσ_i）を生成し、
   前記差の数値（Δσ_i）に基づいて前記爆発数値（ＫＩ_i）を計算する請求項７記載の方法。
9. 前記爆発係数値を計算するステップは次式を使用して計算され、
   ＫＩ_i＝Δσ_i−Δσ_o
   ここで、ＫＩ_iは前記爆発係数値であり、Δσ_iは前記２つの標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）の差の数値であり、Δσ_oは予め定められた標準値である請求１乃至８のいずれか１項記載の方法。
10. 燃焼の同じ反復において計算された中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）と前記平均値（μ_i）とを比較して前記対数値（ｘ_i）が前記平均値（μ_i）以上であるならば、前記標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）は、次式を使用して計算され、
    

    

    ここで、σ_i ⁺とσ_i ^-は燃焼のｉ番目の反復で計算された２つの標準偏差値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はｉ番目の前のｉ−１番目の燃焼の反復で計算された２つの標準偏差値であり、μ_iはｉ番目の反復で計算された平均値であり、ｘ_iはｉ番目の反復で計算された中間信号の積分値の対数値であり、λ₂は予め定められたパラメータである請求項７乃至９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記中間信号の積分値の対数値（ｘ_i）と前記平均値（μ_i）との比較において前記対数値（ｘ_i）が前記平均値（μ_i）より小さいならば、前記標準偏差値（σ_i ⁺、σ_i ^-）は、次式を使用して計算され、
    

    

    ここで、σ_i ⁺とσ_i ^-はｉ番目の反復において計算された標準偏差値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はｉ番目の前のｉ−１番目の反復において計算された標準偏差値であり、μ_iはｉ番目の反復において計算された平均値であり、ｘ_iはｉ番目の反復において計算された前記中間信号の積分値の対数値であり、λ₂は予め定められたパラメータである請求項１０記載の方法。
12. 前記中間信号は各反復における燃焼において予め定められたタイムウィンドウで規定された時間にわたって積分される請求項１乃至１１のいずれか１項記載の方法。
13. 前記積分のタイムウィンドウは各反復の燃焼において、最上部の死点の中心位置のすぐ後に開始し、前記エンジンの速度と負荷の関数として規定された継続時間を有している請求項１２記載の方法。

Images