JPH05506073A - 機械性能の活性制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：機械性能の活性制御 発明の分野 この発明は入口または出口システムに応用された活性制御技術によって機械の性 能を増大させるための活性制御システムに関する。この発明はまた動作中に機械 から放出されたノイズを低減するためにも応用され得る。

発明の背景 内燃機関の効率および性能は何年にもわたって大いなる注目の的であった。エン ジンが通常のレシプロ型またはワンケル（Ｗａｎｋｅｌ）型のようなその派生物 の１つの２行程、４行程、石油またはディーゼルであろうとなかろうと、エンジ ンの性能に影響を及ぼす数多くのパラメータが存在する。

すべての内燃機関の１つの特徴は燃料および空気を燃焼チャンバへ入れかつ燃焼 が発生した後燃焼ガスを放出する必要があることである。弁、ピストンおよび燃 焼チャンノぐといった機械的構成要素の設計とは別に、入口および排気マニホル ドの形は重要であると示されてきた。これは燃焼チャンバと入口または排気との 間で形状が圧力差に影響するからである。この圧力差が空気／燃料の混合物をチ ャンバにまたは燃焼ガスをチャンバから外に強制するのである。

たとえばターボチャージャおよび過給機の機能は入口の圧力を増大させることで ある。燃焼チャンノくと入口または排気との間の圧力差はエンジンのサイクルの 間ずつと時間とともに変化し、そのため圧力差の完全な時間順はエンジン性能を 達成することが可能であり、たとえば単にその時間平均を達成できるだけではな い。

排気パイプおよび入口システムの設計はまた、それらがエンジンから放出された 音を許容可能なレベルにまで低減しなくてはならないという要求にも拘束される 。この要求はますます厳しくなってきておりしばしば優れた性能および効率への 欲求と競合している。

特に２行程エンジンのための排気パイプの「チューニング」は排気中の非安定的 圧力に影響を及ぼす方法であるが、チューニングは固定された排気ジオメトリに よって達成されるので、チューニングはすべてのエンジン速度において効果的で あり得るわけではない。

過去２０年間にわたって排気パイプの端部から放出された音を低減するために応 用可能な活性制御システムが開発されてきた。これらの制御システムはエンジン の方へ戻るパイプ中で音波を反射することによって作動する。システムはより短 くかつより直接的なパイプが使用されることを許容し、そのためいくつかの動作 条件下でエンジン効率に影響を及ぼすが、しかしながら、それらはパイプの壁か らの増大されたノイズの放出の増加につながり得る排気パイプ中の強力な音響共 振を誘起することが可能である。

音を反射するよりもむしろパイプ中で音を吸収するために２つのアクチュエータ を使用することが既知である。しかしながら、その技術は単一のチャネル制御シ ステムを使用しかつ整合した応答を有するアクチュエータを使用することに依存 する。それは個々のアクチュエータの応答が時間期間にわたって変化し得るとこ ろではこれは実際的応用には適さない。

入口および出口システムを有する他の機械がありその性能はそれらのシステム中 の動的圧力によって影響される。

例としてガスコンプレッサ（スクリュー、歯、レシプロ型および遠心型を含む） 、ポンプ、ターボ機械等を含む。これらの性能は異なる方法で測定されることが 可能であり（質量流量、動力出力、効率性等）かつ内燃機関の場合と同じくノイ ズ低減のための競合する要求がしばしばある。

選択された先行技術の議論 活性制御の使用による排気パイプの開放端部から放出された音の減衰は既知であ る。かかるシステムにおいて出口の拡声器上流は「アンチサウンド」を発生する ために使用され、それは実際はエンジンの方に戻る排気パイプへ下って移動する 音を反射し、それによって音が出口で放出されるのを妨げる。出口のマイクロフ ォンはそこで音をモニタするために使用され、かつエンジン速度または条件が変 化するにつれ出口において静寂を維持するために拡声器信号を適合させるために その信号は処理される。

この型のシステムの１つの不都合な点は制御拡声器の上流の排気パイプ中の音の レベルはシステムが共振しているときいくつかの周波数で大きくなり得ることで ある。これは排気パイプの壁からの増大された音の放出につながり得る。

かかるシステムは排気パイプの出口において非安定的な圧力（音）のみを制御し 得る。エンジンに接近している排気マニホルド中の非安定的圧力は制御下になく 、そのため排気マニホルド中の非安定的な圧力をエンジンの効率を改良するよう な方法で独立的に操作することは可能ではない。

排気マニホルドでの平均圧力は排気のジオメトリの形状によって影響されるので エンジン効率における改良がなされ得るが、この形状は動的制御下にはない。

ダクト中で移動する音の活性制御のための他の周知の形状は、少なくとも２つの 拡声器がダクト（排気パイプのような）中で伝播する音が吸収されるような方法 で制御されるというスインバンクス（Ｓｖｉｎｂａｎｋｓ　）　（英国特許番号 第１４５６０１８号）に説明されている。これは音がパイプの出口から放出され るのを妨げるのみではなく、エンジンの方へ戻る音の反響をも止める。この型の システムはそれゆえ上述したパイプの壁からの増大した放出の影響は被らない。

しかしながら、アクチュエータの特性は固定されたままであると仮定され、かつ これは特性が実際変化するところでは現実のシステムとしては実際的ではない。

再びエンジン排気マニホルドにおける非安定的な圧力は独立制御下にはなく、そ のためその非安定的な圧力を制御することによって得られるかもしれないエンジ ン効率のいかなる利得をも独立的に利用することは不可能である。

発明の概要 この発明の１つの局面に従って、それによって機械の出口および入口システムの どちらか一方またはその両方における圧力は機械の性能を制御するために継続的 動的制御下にある手段が提供され、 −２つのシステムのうちの前記１つにおける圧力を変えるために適合されたアク チュエータ手段と、−機械の動作をモニタしかつ機械の動作を示す信号を発生す る少なくとも１つのセンサ手段と、 −センサの信号に応答しかつそれから信号を発生するように適合されて前記アク チュエータ手段を駆動するための制御手段とを含み、 制御手段は予め定められたデータに従って機械の性能を最適化するように機械の 性能を調整するために動作する。

それに加えてまたは代替的に、制御手段はアルゴリズムに従って動作し得る。

第２のセンサ手段はたとえば、出口または入口システムの内側の圧力、出口また は入口システムの壁の振動もしくは出口または入口システムによって発生された 音のフィールドをモニタするために提供されることが可能であり、かつ制御手段 は機械から放出されたノイズを低減するために付加的に動作し得る。

好ましくは制御手段には機械の動作と関連して制御手段を同期化させるために同 期化信号が供給される。

任意に、第１のセンサ手段は機械の出口および入口マニホルドの各々またはその 両方において圧力センサを含む。

ここで添付の図面を参照して例によってこの発明を次に説明する。

図面において 図１は性能のみが改良されたこの発明の一例のブロック概略図であり、 図２は性能および放出されたノイズが改良されたこの発明の一例のブロック概略 図であり、さらに図３は性能および放出されたノイズが振動誘導シェルノイズと 共に改良されたこの発明の一例のブロック概略図である。

好ましい実施例の詳細な説明 例を用いて内燃機関とともに使用するためのこの発明の様々な実施例がセクショ ンａ−Ｃにおいて以下に説明される。これに続いてセクションｄにおいてニアコ ンプレッサに応用されたこの発明の説明がなされる。

ａ）　性能の改良 この発明の一実施例が図１に示される。エンジン１はマニホルド２を介して排気 パイプ３の中へ排気する。アクチュエータ手段４は制御装置手段５からの信号を 受ける。アクチュエータ手段は電磁、圧電、磁歪、水圧または空気装置を含む排 気システム中の圧力を変更可能ないかなる装置でもあり得る。アクチュエータ手 段は壁と同じ平面にまたは外部から排気システムに装着されてもよく、かつダク ト、膜または囲いを介して排気システムに結合されてもよい。

性能のみを制御するためにアクチュエータ手段は少なくとも１つのアクチュエー タを含まなければならず、かつ第１のセンサ手段は少なくとも１つのセンサを含 まなくてはならない。

アクチュエータ手段はエンジンにより接近している排気システム中の圧力を変更 することが可能である。したがってそれは制御された態様で排気マニホルドの圧 力を変更するようにされ得る。制御装置手段への入力として、エンジンにとって 所望される程度（ＩＩｌｅｉｓｕｒｅ）の性能を規定する信号７がある。制御装 置手段は条件が変化するにつれその程度を最大限に保持するような方法で、性能 の程度に基づい゛てその駆動をアクチュエータ手段に適合させる。性能の程度は たとえばエンジン効率に比例するスカラ量である必要はないが、性能の所望され る改良を達成するために制御装置手段によって使用可能ないかなる信号であって もよい。

たとえば性能の程度は排気マニホルド中の一点にとって時間の関数で最適の圧力 であり得る。性能の程度はエンジン性能の測定値から直接的に引出され得る（た とえば燃料流量、インシリンダ圧、トルク）か、またはエンジン性能のモデルに 関連して１つ以上のエンジンパラメータ（たとえば速度、スロットル位置）の程 度によって間接的に引出され得る。

任意的に排気マニホルド中の圧力を推論するために使用されるセンサ（または複 数のセンサ）８は第１のセンサ手段の一部を形成し、かつ制御装置手段への入力 を提供し得る。いくつかの場合エンジンの性能の程度はこの型のセンサのみから 引出すことが可能であり、その場合それは第１のセンサ手段の唯一のセンサ型で あるかもしれない。　そのサイクル中のエンジンの位置を規定するために使用さ れ得る付加的センサ６もまた制御装置への入力を形成し得る。

この信号は制御装置の出力をエンジンのサイクルに同期化させるために使用可能 である。

第２のセンサ手段が設けられていないとき、エンジンの性能のみを制御すること が可能である。しかしながら、放出された音はアクチュエータの下流に置かれた 標準受動減衰器によって低減されるこが可能であり、それによって受動的にノイ ズの性能を向上させる。

ｂ）性能およびノイズ性能の制御 この発明のこの実施例は図２に示される。この実施例は図１のものとは異なり、 アクチュエータ手段がアクチュエータ４ａを含むように延在され、かつ排気の出 口に近い圧力を測定する第２のセンサ手段９が設けられる。通常、単一のセンサ のみが出口に近い圧力の測定のために必要とされるが、２つ以上のセンサの重み 付き合計も使用可能である。センサはアクチュエータ手段よりもかなりエンジン から離れて、排気の内部または外部に装着され得る。性能およびノイズ性能に貢 献しているノイズの１つの成分が独立的に制御されているこの実施例において、 第１のセンサ手段は少なくとも１つのセンサを含まなければならず、第２のセン サ手段は少なくとも１つのセンサを含まなければならず、かつアクチュエータ手 段は少なくとも２つのアクチュエータを含まなければならない。

アクチュエータ手段を説明されたように延在することによって、排気マニホルド における圧力に影響を及ぼしそれによってエンジン性能を改良するのみではなく 、同時に排気パイプの出口から放出される音を低減するまたは消去することが可 能であり、それによってノイズ性能を改良する。

システム性能を最適化するためにアクチュエータのレイアウトが選択される。特 に一方の組のアクチュエータをエンジンの近くに置きかつ他を出口の近くに位置 くことは有利であり得る。アクチュエータは同一の型のものである必要はない。

Ｃ）性能およびノイズの性能の制御 この発明の他の実施例が図３に示される。アクチュエータ手段はアクチュエータ ４Ｃを加えるこにとよって前の実施例のものから延在されかつ第２のセンサ手段 はセンサ１０を加えることによって延在される。これらの延在の目的は、排気の 壁の振動によるノイズの放出を低減することにより、より一部ノイズ性能を改良 できることであり、一方排気の出口から放出されたノイズの低減を維持しつつか つ同時にエンジン性能を最適化することが可能である。これを行なうために、第 １のセンサ手段は少なくとも１つのセンサを含まなければならず、第２のセンサ は少なくとも２つのセンサを含まなければらなず、かつアクチュエータ手段は少 なくとも３つのアクチュエータを含まなければならない。

排気の壁の振動が低減され得る１つの形状（かつそれによりノイズ性能が改良さ れる）はエンジンに向かっておよびエンジンから離れて伝播する成分に（つまり 反射および入射波に）排気システム中の圧力フィールドを分解する選択センサ１ ０によるものである。この分解はたとえば少なくとも２つのマイクロフォンによ って実行され得る。これらの成分に関連する信号はそれから制御装置手段への入 力を形成する。その長さに従って不連続を有する排気システム（触媒変換器また は拡大チャンバなどの）において、ノ々イブ中の圧力フィールドの分解を改良す るための付加的センサを有することは有利であり得る。適切な信号でアクチュエ ータを駆動することによって、エンジンに向かって伝播する任意の音波を発生す ることが可能である。この圧力変動はアクチュエータとエンジンとの間の排気シ ステムの壁から放出される音に影響を及ぼすであろう。パイプの壁から放出され る音を低減する（およびそのためノイズ性能を改良する）１つの方法は反射音波 が可能な限り小さくなるように入射音波を吸収することであり、他の方法は特定 的な有利な点において圧力「０」を生み出すように入射および反射音波の振幅を 整合させることである。

代替的にセンサ１０は排気システムの壁の振動を直接的にモニタするセンサであ り得る。制御装置手段はそれから振動の大きさくｍｅａｓｕｒｅ　）を低減する ために、その駆動をアクチュエータ手段に適合させる。

代替的に、センサ１０は排気システムの外部の音フィールドを直接的に測定する センサであってもよい。制御装置手段はそれから外部音フィールドの大きさを低 減するためにその駆動をアクチュエータ手段に適合させる。

システム性能を最適化させるためにアクチュエータレイアウトが選択され得る。

特に１組のアクチュエータをエンジンの近くに置き、かつ２組を出口の近くに置 くことは有利であり得る。アクチュエータは同一の型である必要はなこの発明の 全実施例において、活性制御システム（第１および第２のセンサ手段、アクチュ エータ手段ならびに制御装置手段を含む）を付加的な受動減衰手段と組合わせる ことは有利であり得る。たとえば活性制御システムは制限された動作の帯域幅を 有し、そのためエンジンからの高周波数ノイズを減衰させる受動手段は、興味の ある全周波数でのノイズ性能を改良するために、活性システムと関連して使用さ れ得る。この組合わされた活性／受動システムの利点はそのおよびノイズ性能が 純粋な受動システムよりも良好にされ得ることである。

この発明の全実施例における制御装置手段の役割はシステムのノイズ性能を最適 化し、かつ性能を最適に保持するためにシステムの変化または動作条件に適合さ せることである。エンジンの性能を規定するために使用されるセンサは制御装置 手段に直接的に入力されることが可能であり、その場合制御装置手段はもし必要 であるならばエンジン性能のモデルを含む、性能の計算と関連したいかなる付加 的な処理をも組入れるであろう。エンジンのモデルはモデル自体がエンジン性能 の最良の前兆として維持されるように、制御装置手段の適合プロセスに組入れら れ得る。制御装置手段は多重入力、多重出力適合制御に適した周知の形式のいず れをもとり得る。かかるシステムの一例は１９８６年の制御および信号処理にお ける適合システム（Ａ＋］ａｐ＋ｉｒｅ　Ｓｙｓｌｅｍｓ　ｉｎ　Ｃｏｎｔ「ｏ ｌ　！ｎｄ　Ｓｉｇｎｘｌ　Ｐ「ｏｃｅｓｓｉｎｇ　）におけるピー・ニー・ネ ルソン（Ｐ、　人、　Ｎｅ１ｓｏｎ）およびニス・ジエイ・エリオツド（Ｓ、］ 、Ｅｌｌｉｏｊ　）による［多重チャネル活性音制御のための確率勾配アルゴリ ズム（Ａ　５ｌｏｃｂａｓｆｉｃ　Ｇ＋ａｄｉｅｎｔ　Ａ１ｇｏ＋ｉｌｂ＋ｎ　 ｆｕ　Ｍｕｌｔｉ−ｃｈａｎｎｅｌ＾ｃｌｉｖｅ　５ｏｕｎｄ　Ｃ＋＋ｎＭｏ１ ）中に説明されている。

ペルガモン社（Ｐｅｒｇａｍｏｎ）によって出版された１９８７年の第２回Ｉ　 ＦＡＣワークショップの会報の３２９−３３４頁の書類がここに引用により援用 される。

ｄ）ニアコンプレッサへの応用 上述されたこの発明の詳細な説明から、この発明は他の機械へ応用され得ること が明らかであろう。たとえばニアコンプレッサへの応用は図１、図２および図３ によって等しく十分に説明されこれらの図においてコンプレッサ１はマニホルド ２によって入口または出口システム３に接続される。活性制御システムは信号７ がコンプレッサの性能に関連していることを除いて上述されたものと同一である 。

これはたとえば効率の質量流量であり得る。しばしばコンプレッサの回転速度お よび入口または出口のジオメトリはシステム中の音は平面波によっては十分に説 明されないようなものである。これは付加的なセンサおよびアクチュエータが付 加的な自由度を制御するために必要とされることを意味する。

ここで使用されるように機械の出口という用語は機械の入口という用語と同義と 考えられ、そこで圧力変化はそのどちらかで発生しかつノイズを結果として生じ ることが可能であり、機械の動作における変化は入口および出口圧力ならびに圧 力変動の測定可能な変化を結果として生じることが可能であり、かつ機械の動作 （それによって発生したノイズを含む）は前記機械の入口および出口のどちらか 一方もしくは他方またはその両方に位置するアクチュエータによって変えられる ことが可能である。この発明はしたがってモータとコンプレッサとポンプとに等 しく応用可能である。

熱力学的にその動作を説明し得る機械の場合、機械の性能は熱力学的性能に関連 して測定可能であるが、性能はこの測定に制限されるものではなく、かつ効率、 質量流量および動力出力のような要因もまた機械の性能の表示として使用され得 る。

要約 機械の性能を制御するために機械の出口または入口システム（３）もしくはその 両方においての圧力に対する継続的動的制御を改良するための制御システムが説 明される。

このシステムは選択されたシステム中の圧力を変化させるためのアクチュエータ （４）と、機械の動作をモニタしかつそれを示す信号を発生するためのセンサ（ ８）と、センサ信号に応答してアクチュエータを駆動するための制御手段（５） とを含み、制御手段は予め定められたデータに従って機械性能を最適化するよう に調整するために動作する。

データはメモリ（ルックアップテーブル）中にあってもよいしまたは制御手段は アルゴリズムに従って動作してもよい。第２のセンサは、活性フィードバックに よって機械の性能を改良するのと同様に機械によって発生したノイズを低減させ ることを制御手段に同時に可能にするための信号を発生するために、出口および 入口システムの一方もしくは他方または両方によって発生された音を示す信号を 発生するように設けられ得る。

国際調査報告　ＱＭ／、００１／ｎｎ２Ａｆｉ１＋−＋−ｄ　ＡｏＮ＃　ＰＣ” ’　””０２”国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．機械の性能を制御するために機械の出口および入口システムの少なくとも１ つにおける圧力に対する継続的動的制御を改良するめたの制御システムであって 、−前記の２つのシステムのうちの１つにおいて圧力を変化させるために適合さ れるアクチュエータ手段と、−機械の動作をモニタし、かつ機械の動作を示す信 号を作り出す少なくとも１つのセンサ手段と、−センサ信号に応答し、かつそこ から信号を発生するために適合され前記アクチュエータ手段を駆動するための制 御手段とを含み、 制御手段は予め定められたデータに従って、機械性能を最適化するために機械性 能を適応するように動作する、制御システム。
2. ２．制御手段はアルゴリズムに従って動作する、請求項１に記載の制御システム 。
3. ３．入口および出口システムの少なくとも１つによって生み出される音を示す信 号を発生する第２のセンサ手段をさらに含み、 制御手段はまた第２のセンサ手段からの信号に応答し、かつ機械の性能を改良す るのと同じく機械によって発生したノイズを低減させるために同時に活性フィー ドバックによって適合される、請求項１に記載の制御システム。
4. ４．第２のセンサ手段は、直接的または間接的のいずれかで前記出口および入口 システムの少なくとも１つの内部の圧力に関連する信号を生み出す（前記出口お よび入口システムの少なくとも１つの壁の振動をモニタすることによってと同じ く）、請求項２に記載の制御システム。
5. ５．同期信号が発生され、機械の動作に関連して制御手段の動作と同期化するよ うに制御手段に与えられる、請求項１ないし４のいずれかに記載の制御システム 。
6. ６．第１のセンサ手段は圧力検知手段を含む、請求項１ないし５のいずれかに記 載の制御システム。
7. ７．制御手段は多重チャンネル制御システムである、請求項１ないし６のいずれ かに記載の制御システム。
8. ８．第１のセンサ手段は速度、スロットル位置および負荷といったパラメータを モニタすることによってと同じく機械の動作をモニタする、請求項１ないし７の いずれかに記載の制御システム。
9. ９．制御手段は機械の動作のモデルを含む、請求項１ないし８のいずれかに記載 の制御システム。
10. １０．入口および出口システムの少なくとも１つに結合された、受動圧力制御手 段と組合わせた、請求項１ないし８のいずれかに記載の制御システム。
11. １１．受動圧力制御手段は高周波数ノイズを低減するために適合された従来の消 音器を含み、かつより低い周波数ノイズを低減するために制御システムが適合さ れる、請求項１０に記載の制御システム。
12. １２．機械は内燃機関である、先行の請求項のいずれかに記載の制御システム。
13. １３．機械はガスコンプレッサである、請求項１ないし１１のいずれかに記載の 制御システム。
14. １４．機械はポンプである、請求項１ないし１１のいずれかに記載の制御システ ム。
15. １５．機械はターボ機械である、請求項１ないし１１のいずれかに記載の制御シ ステム。
16. １６．機械の性能を最適化するように動作している、機械と請求項１ないし１１ のいずれかに記載のそのための制御システムとの組合わせ。
17. １７．同時に機械の性能を最適化しかつ機械の動作によって発生したノイズを低 減するように動作する、機械と請求項３ないし１１のいずれかに記載のそのため の制御システムとの組合わせ。
18. １８．添付の図面を参照してここに説明され、かつそれに例示される、本質的に 動作するように構成され、配列されかつ適合される機械のための制御システム。