JP4871962B2 - エンジン燃焼パラメータの振動信号からの実時間推定 - Google Patents

Description

本発明は、振動検出器（加速度計）によって伝達されるエンジンの振動応答からの内燃エンジンの複数のエンジン燃焼パラメータの実時間推定の方法に関する。

本発明の複数の燃焼パラメータの推定は、内燃エンジンの燃焼制御において使用可能である。

排出物削減標準が、追加のアクチュエータ（燃焼気体再循環弁、電子直噴、可変ジオメトリータービン）と新しい燃焼モード（均一ディーゼル燃焼や層状ガソリン燃焼）との導入などのエンジン技術の順次適応につながっている。このような状況で、エンジンは近代的な自動化技術による管理を必要とする複数の複雑な装置の組み立て品となってきている。エンジン制御機能は、環境に対する制約に合致しながら、エンジンの性能を保証するように利用可能な複数のアクチュエータを管理することにある。エンジン制御の基本的局面は、シリンダ内の複数の熱力学条件（温度、過給圧、混合器の組成）と複数の噴射パラメータの調整との正確な管理による燃焼制御装置にある。

均一ディーゼル燃焼などの新しい燃焼モードは、従来の燃焼（ガソリンまたはディーゼル）よりもはるかに汚染が少ないが、はるかに敏感である。そのため、それらの調整には追加の投資が必要となる。ループ燃焼制御は、燃焼の進行に関する情報が利用可能であって、利用可能な複数のアクチュエータの作用によってその情報に影響を与えることができる場合に限り可能である。これらのパラメータは、燃焼室内の圧力の特定の検出器による直接測定から得ることができる。この方法によって、複数の物理燃焼パラメータを直接取得できるが、この種類の検出器の寿命とコストのために、これらの検出器を乗り物において標準品とすることが未だにできない。これまでのところ、非侵襲性計測からの燃焼パラメータの予測などの代替の技法に向かうことがより現実的である。既存の方法の構成を以下に示す。

イオン化電流の解釈：原理は、燃焼中に発生するイオン電流の計測に存する。この燃焼中に、何らかの化学反応によってイオンが放出される。イオンの発生は、シリンダ内の温度と圧力との条件によって影響を受ける。それらを検出するために、プラグには永続的に低振幅電圧が供給されている。イオン電流には、連続している燃焼段階：点火、火炎面の伝搬、および反応の最後での圧力と温度の変動に関連している段階、の情報が含まれている。エリクソン（Ｅｒｉｋｓｓｏｎ）とニールセン（Ｎｉｅｌｓｅｎ）とは、たとえば以下の文献内で、サイクル中の最大圧力とその独立変数とはイオン電流の解釈によって特定できることを示している。
−Ｌ．エリクソン（Ｅｒｉｋｓｓｏｎ）、火花進行モデリングと制御（Ｓｐａｒｋ ａｄｖａｎｃｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ）、Ｐｈ．Ｄ論文、リンケーピン（Ｌｉｎｋoｐｉｎｇ）大学、スウェーデン、１９９９年
クランク軸の瞬間回転速度の解析：速度は、クランク軸の端部に取り付けられているエンコーダによって計測される。シリンダ圧力は、エンジンの運動学的連鎖を逆にすることによって再現され、そのモデルはもちろん既知である。例えば以下の文献を参照することができる。
−Ｓ．Ｊ．シトロン（Ｃｉｔｒｏｎ）、Ｊ．Ｅ．オヒギンス（Ｏ’Ｈｉｇｇｉｎｓ）、Ｌ
．Ｙ．チェン（Ｃｈｅｎ）、速度変動を利用したシリンダ毎のエンジン圧力と圧力トルク波形の決定（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｙ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｅｎｇｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏｒｑｕｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ）、ＳＡＥ論文（１９８９年）、Ｎｏ． ８９０４８６
エンジン振動の計測値からの再現：内燃エンジンの振動は、加速度計と呼ばれるエンジンに取り付けられている検出器によって計測することができる。加速度計は、所与の系において、加速度計が（または加速度計の構成要素の１つが）固定されている部分の加速度を計測し、加速度による衝撃と振動とを検討できるようにする検出器であると考えることができる。整合性のある複数の燃焼パラメータを加速度計から得ることは、伝達される信号の性質のために困難である。実際に、エンジンの振動応答は、噴射ノズルのチャタリング、ピストンの上死点への戻り行程、分配装置によって引き起こされる振動など他の事態にもよるため、この信号は燃焼についての情報だけを含んでいるわけではない。

加速度計形式の検出器の使用は、過去の書籍に既に記述されてきた。たとえば、シリンダ圧力が加速度計から伝達される信号から推定される以下の文献を挙げることができる。
−Ｙ．ガオ（Ｇａｏ）およびＲ．Ｂ．ランドール（Ｒａｎｄａｌｌ）、時間領域平滑化技法を使用したディーゼルエンジンのシリンダ圧力の再現（Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ａ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）、機械装置と信号処理（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）１３（１９９９年）、ｎｏ．５、７０９〜７２２
−Ｈ．ドゥー（Ｄｕ）、Ｌ．ザン（Ｚｈａｎｇ）、Ｘ．シー（Ｓｈｉ）、放射基底関数ネットワークに基づく振動信号からのシリンダ圧力の再現（Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｒｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒａｄｉａｌ ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）、機械工学学会予稿集（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、パートＤ２１５ （２００１年）、ｐ７６１〜７６７
−Ｒ．ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｓｏｎ）、振動および速度信号からの複素放射基底関数ネットワークに基づくシリンダ圧力の再現（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒａｄｉａｌ ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｒｏｍ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ）、機械装置と信号処理（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、２００６年
ドゥー（Ｄｕ）他は、シリンダ圧力推定問題を逆畳み込みまたは逆フィルタ処理が関わる信号処理技法によって扱っている。彼らは、シリンダ圧力の発生と発生する振動信号との間の非線形伝達関数の近似を実行するニューラルネットワークの能力を示している。ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｓｏｎ）は、圧力信号と複数の燃焼パラメータとを再現するように、入力が虚数変数であるニューラルネットワークによって、加速度計によって伝達される信号がエンジン回転数信号と組み合わされる、同様な方法を使用している。

エンジンの燃焼の制御用の加速度検出器を使用した他の方法も公知である。

ＥＰＯ特許発明明細書第１，１１６，９４６号は、加速度計によって伝達される複数の信号から燃焼を制御する方法と装置とを記述しており、それによって、計測される信号に窓が設定される（燃焼発生期間）。それから、この信号は各制御ループの間に処理され、複数の燃焼パラメータの変化を求めるために、基準信号と比較される。加速度計からの信号の処理には３つの主な段階：修正、フィルタ処理、および積分がある。

米国特許明細書第２，００４，２６７，４３０号（ＰＣＴ特許出願公開明細書第０５，００１，２６３号）は内燃エンジンの振動に起因する加速度計信号を処理する方法を記述している。特に、複数の信号は複数のスペクトルフィルタによってフィルタ処理され、燃焼解析曲線が実験データベースから特定された伝達関数の逆畳み込みによって再現される。結果は、燃焼制御を可能とする複数の燃焼パラメータの推定となる。例えば、ＳｏＣ（燃焼の開始）と呼ばれるパラメータはエネルギー放出、その最大角度、および過給圧に依存する多項式から推定される。

ドイツ特許発明明細書第１９，５３６，１１０号（フランス特許発明明細書第２，７３９，４１４号）はディーゼルエンジンの燃焼を制御するための振動に起因する複数の加速度計信号の処理方法を記述している。特に、複数の信号は２つの異なる周波数帯域でフィルタ処理される。第１の周波数帯域［１０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ］では、閾値設定装置によって、噴射に関連する成分を取り出すことができる。第２の帯域［０．５ｋＨｚ、４ｋＨｚ］では、同じ閾値設定方法を使用して燃焼によって発生した信号成分を取り出すことができる。

フランス特許発明明細書第２，８３４，７８９号はノック信号の処理方法を記述している。提供される方法は、エンジン回転数に対する取得サンプリング周波数の調整に存する。フーリエ変換が、対象とする周波数について、さまざまなサンプリング値グループに対して計算される。燃焼に関する情報がフーリエ変換の結果の総和から得られる。

前述のアプローチから得られるパラメータは、内燃エンジン診断と制御に関する用途に直接使用することはできない。これらの方法は、加速度計によって伝達される信号の時間積分に基づいている。加速度計からの信号の処理は、実時間では実行されない。さらに、これらの方法は、燃焼の性質および／または使用する検出器の技術に大きく依存する。そのため、これらの用途の分野は限定される。

本発明は、燃焼の性質および使用する振動検出器の技術によらない、加速度計信号の高調波分解の実時間推定に基づいている、加速度計によって伝達される信号の処理から内燃エンジンの燃焼を制御する方法を提供する。本方法は、複数の燃焼状態指標の実時間計算を実現する。

したがって、本発明は、少なくとも１つの振動検出器を有する内燃エンジンの複数の燃焼パラメータを決定する方法であって、検出器によって伝達される、エンジンの振動を表し、数個の高調波を有しクランク角度の関数としての振動信号を連続して取得するステップと、振動信号をフィルタによって実時間フィルタ処理するステップとを有する方法に関する。本方法は、
フィルタの動的特性のモデルを構築し、動的特性に関する項を一方で有し、補正項を他方で有する適応型非線形推定器をモデルから定める段階と、
推定器によって取得された振動信号のフーリエ展開を実時間で推定する段階と、
複数の燃焼パラメータを複数の係数から実時間で推定する段階と、
振動信号のｋ個の高調波のエネルギーをｋ個のフーリエ展開の係数の２乗和から求める段階と、
エネルギーを使用して複数の燃焼パラメータを実時間で推定する段階と、
が実行されることを特徴とする。

振動信号は数個の高調波を有し、複数のフーリエ展開の係数は燃焼に関連する高調波に対してのみ推定される。

本発明によれば、燃焼に関連する複数の高調波はスペクトル解析の実行によって選択したり、時間／周波数解析の実行によって選択したり、３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数帯域内で選択したりすることができる。選択される高調波の数は一般に３とすることができる。

振動信号をフィルタ処理の実行前にこの角度範囲に限定するように、燃焼に関連する振動応答全体を含んでいる角度範囲を定めることもできる。フィルタ処理は帯域通過フィルタによって実行することができる。

推定器については、推定器は適応型の非線形推定器とすることができ、この型の推定器は実時間推定に適している。

最後に、本発明によれば、複数の燃焼パラメータは、以下の現象：燃焼の開始（ＳｏＣ）、燃焼の最大値（ＭｏＣ）、燃焼の継続時間（ＤｏＣ）、および燃焼のエネルギー（ＥｏＣ）の少なくとも１つを表すことが可能である。

本発明は、複数のエンジンパラメータを、エンジン燃焼制御のための、決定された前記複数の燃焼パラメータに従って変更することによってエンジン制御に適用することができる。

本発明の方法のその他の特徴と利点とは、添付の図面を参照して、非限定的な例によって説明する実施形態の以降の説明を読むことで明らかになろう。

本発明は、加速度計によって伝達される信号を処理し、燃焼を直接定量化するための物理的な意味を有している複数の燃焼パラメータ（ＰｏＣ）の実時間の伝達を可能にすることによって、内燃エンジンの燃焼を制御する方法を提供する。本方法は、燃焼の性質と使用される振動検出器の技術には依存しない。

本発明は、エンジンの燃焼モード（ディーゼル、ディーゼルＬＴＣ、ガソリン、層状モードでのガソリン）と使用される１つ以上の振動検出器の技術とに関連している具体的な特徴を含めることなく、１つのシリンダに適用される、特定の実施形態によって説明する。内燃エンジンと使用される振動検出器の技術とは、本方法の原理には影響しない。

図１は、本発明のループ燃焼制御方法の一般原理を示している。加速度計（Ａ）によって伝達される振動信号（ｓ（ｔ））がまず取得される。この振動信号は、燃焼室（ＣＣ）内の燃焼を含む一式の現象に対応している。この信号のいくつかの高調波だけが燃焼を定量化する情報を含んでいることが周知である。したがって、本原理は、この振動信号のさまざまな高調波を実時間で計算し、それから燃焼に対応するこれらの高調波を選択することである。最後に、燃焼についての情報を有しているこられの高調波から、燃焼を直接定量化し、燃焼を制御するためにエンジンパラメータの調整（ＣＴＲＬ）を可能にする複数の物理パラメータ（ＰｏＣ）が、やはり実時間で計算される。図２に示しているように、エンジン燃焼制御方法は５つの主な段階に分割することができる。

予備段階：
段階１−燃焼を定量化する複数の高調波の選択（ＳＬＣＴ）
実時間で実行される段階：
段階２−振動検出器（Ａ）によって伝達される信号の取得（ＡＣＱ）
段階３−信号高調波の実時間での決定（ＨＡＲ）
段階４−燃焼を直接定量化するための複数のパラメータの実時間での決定（ＣＡＬ）
段階５−エンジン制御：燃焼制御のための複数のエンジンパラメータの調整（ＣＴＲＬ）
段階１：燃焼を定量化する高調波の選択
振動信号などの任意の周期的な振動量（つまり交互に増加し減少する量）は、周波数が基準周波数の整数倍である複数の正弦波成分の総和と見なすことができる。基本周波数とも呼ばれる基準周波数は、対象としている量の周期の逆数に等しい。複数の周波数は、周波数が基本周波数の整数倍である複数の正弦成分である。これらの複数の周波数は高調波と呼ばれる。

各高調波は、１つまたは２つ以上のデータ：騒音、燃焼、噴射ノズルのチャタリング、上死点へのピストン戻り行程、分配装置によって引き起こされる振動等を有している。

目的は、これらの成分から、燃焼を定量化する情報を含む高調波をまず選択することである。この操作は、寄生現象によって影響されることなく、加速度計によって伝達される信号の有用な部分を抽出することである。

燃焼を定量化できる複数の高調波を求めるために、２つの方法：時間／周波数解析またはスペクトル解析を考えることができる。これらの方法は、実時間エンジン燃焼制御を可能にするように、複数の段階の前に実行される実験において、複数の加速度計からの複数の信号に適用される。

信号の時間／周波数解析は、移動する窓と考えることが可能で、専門家に周知の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が各時間間隔に実行される。このフーリエ変換の形態は、短時間フーリエ変換としても知られており、その時間／周波数平面内での表現は、スペクトログラムによって与えられる。スペクトログラムは、信号の各時間ｔをその周波数スペクトルに関連付けているダイアグラムである。その最も一般的な形式では、水平軸線は時間を表し、垂直軸線は周波数を表している。ダイアグラム内の各点には、所与の時間での特定の周波数の振幅（しばしばデシベル）を表している所与の強度が備わっている。自動車産業界では、時間軸をクランク角度の値に対応している角度軸に置き換えることが一般的に行われている。そのようなスペクトグラムでは、燃焼の周期性が角度軸上に明確に表れる。これらの事象は、一部が燃焼に関連しているエンジン周期中に発生する事象に同期している周期的な現象に対応している。従来、内燃エンジン内に配置されている複数の加速度計によって伝達される複数の振動信号を解析する場合、５０００Ｈｚと１０，０００Ｈｚとの間のいくつかの周波数帯域内に角度方向に広がっている複数の領域と、０と３０００Ｈｚとの間に複数の短い事象領域とが明確に認められる。後者の周波数帯域は、より衝撃的な性質の事象に対応しており、そのため燃焼現象により近い。

結果を正確にするために周波数解析を使用することもできる。実際に、簡単なＦＦＴの計算では信号の正確なスペクトル解析を必ずしも実行できない。他の周波数解析技法によって、そのような精度レベルを達成することができる。定常信号のスペクトルパワーの周波数軸上での分布を正確に計測できるパワースペクトル密度（ＰＳＤ）が得られるのはスペクトル解析である。ＰＳＤを求めることができるスペクトル解析の方法の例は、例えば以下の文献に記述されているＹｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒモデリング法である。
−フリードランダー（Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ）、ＢおよびＢ．ポーラット（Ｐｏｒａｔ）、ＡＲＭＡスペクトル予測の改良Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ法（Ｔｈｅ Ｍｏｄｌｆｉｅｄ Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＡＲＭＡ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）、ＩＥＥＥ航空宇宙電子装置論文集（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、ＡＥＳ−２０、Ｎｏ．２（１９８４年３月）、ｐ１５８〜１７３
したがって、スペクトル解析によって周波数の関数としてＰＳＤ曲線が得られる。この種の曲線では、複数の加速度計からの信号処理において、各ピークが１つまたは２つ以上の事象を表しているさまざまな周波数現象がある。エンジン制御の経験に基づいた解析の結果として、３種類の現象：燃焼、噴射、および様々な騒音が分離された。従来、内燃エンジン内に配置されている複数の加速度計からの複数の振動信号を解析する場合、高調波成分が燃焼による振動にのみに起因していると考えられる唯一の周波数帯域は、３００Ｈｚと３０００Ｈｚとの間の低い方の帯域に該当している。これによって、時間／周波数解析によって求められる帯域を改善することができる。

したがって、本方法によって、燃焼を定量化するために対象とする周波数帯域を３００Ｈｚと３０００Ｈｚとの間に固定するか、たとえばエンジン形式の関数として、適切な周波数帯域をスペクトル解析によって定めることができる。

以下の説明では、複数の燃焼パラメータ（ＰｏＣ）の推定に３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数帯域を使用する。

選択された複数の信号高調波（周波数成分）は、ω_k、ｋ∈［１，ｐ］と表される。整数ｐは、これらｐ個の高調波が３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数帯域に属するように選択される。

第２段階から第５段階は実時間で実行される
段階２：振動検出器によって伝達される信号の取得
燃焼制御方法は、加速度計によって連続して伝達される信号の処理に基づいている。この取得の種類は、専門家には周知である。しかし、本発明の方法によって実現される信号処理方法によれば、振動検出器（加速度計）はシリンダヘッドにもエンジンブロックにも等しく取り付けることができる。使用される振動検出器の技術は本方法の原理に影響することもない。加速度計によって得られた振動信号はｓ（ｔ）と表す。変数ｔは時間を表す。

図２に示しているように、加速度計によって伝達される信号ｓ（ｔ）は処理チェーンの２つの入力の１つである。

第２の信号α（ｔ）は、クランク角度の値を時間の関数として与える信号である。クランク角度はαによって表されている。この信号は、角度エンコーダ（ＥＮＣ）によって伝達される。

本発明によれば、振動検出器の位置、その技術、またはエンジン燃焼モードに影響されることがなく、他方で、複数の燃焼パラメータの予測の品質を最適化するために、いくつかの調整パラメータを変更することができる。例えば、信号ｓ（ｔ）は取得装置と使用する検出器の種類によって高度なものとすることができる。

段階３：信号の高調波の実時間での決定
目的は、加速度計からの振動信号の全ての高調波成分、または少なくとも段階１で選択された有用な高調波成分の最初の実時間推定である。これらの成分の実時間再現は、例えば、後で処理してフーリエ展開によって複数の高調波成分を得るために、信号が連続して記録されないことを意味する。逆に、これらの成分は、信号が計測されているときに予測される。そのため、フーリエオブザーバが使用される。本方法は以下の段階を有することができる。
−信号の有用な部分の抽出：振動信号処理（ＰＲＥ）、
−フーリエオブザーバによる複数の高調波の推定（ＨＡＲ）
信号の有用な部分の抽出：振動信号処理（ＰＲＥ）
加速度計によって伝達される信号の処理は、エンジン制御チェーンにおいて必須の要素であって、これは、処理が図２に示しているようにループ燃焼制御に使用できる変数を提供するからである。第１段階は、振動信号から有用な情報を最大量抽出するように振動信号を処理することにある。振動信号の有用な部分の抽出を目的としている（複数の高調波と複数の燃焼パラメータとの再現の前の）この前処理は、以下の段階を有することができる：角度領域でのｓ（ｔ）のサンプリング、燃焼を含む角度窓の決定
角度領域でのｓ（ｔ）のサンプリング
信号ｓ（ｔ）が角度領域でサンプリングされる。この信号はｓ（α）と表される。角度領域は、時間領域と比べて、全てのデータがクランク角度の関数として表されている領域である。この段階によって、全ての回転している機械について、不変のフレームフィールドで処理を行うことができる。角度領域での処理の第２の利点は、噴射が上死点（ＴＤＣ）に関して角度によって制御されることであり、それによって燃焼のための噴射制御が容易になる。しかし、角度領域でフレームフィールドの原点を上死点として定める角度エンコーダ（ＥＮＣ）はもちろん適切に較正しなければならない。

燃焼を含む角度窓［α１；α２］の決定
信号ｓ（ｔ）は取得カードによって連続して計測され、それから角度領域（ｓ（α））に変換される。しかし、処理の残りはα１とα２によって制限されている角度範囲内でのみ実行される。これら２つのパラメータは燃焼オブザーバ（本発明のフーリエオブザーバ）の複数の較正要素に属している。制限値α１とα２とは、燃焼モードに依存して早い（ＴＤＣ前数度）かまたは逆に非常に遅い（ＴＤＣ後２０度）可能性のある燃焼発生角度範囲に依存している。所与のエンジンについて、制限値α１とα２とは、エンジン動作範囲全体にわたって、燃焼振動応答の全体が含まれるように選択されなければならない。これらの角度は、フレームの原点を表している上死点に関して定められる。したがって角度α１は負であって、角度α２は正である。

実際に、本方法は、エンジンクランク軸の所定の角度位置に相当している検出器からの信号の所定の時間窓内で振動信号を処理することを目的としている。検出器からの信号は、この時間窓内または対応している角度窓［α１；α２］内に、燃焼特性を推定するために複数の燃焼パラメータを決定できるように、エンジンの振動性の振る舞いに関する情報を有している。

フーリエオブザーバによる高調波の推定（ＨＡＲ）
原理は、加速度計からの信号ｓ（α）のフィルタ処理と、フーリエオブザーバを使用した複数の有用な高調波成分の実時間再現によるフィルタ動力学の逆転とにある。内燃エンジン（エンジンブロックおよび／またはシリンダヘッド）に取り付けられている１つまたは２つ以上の振動検出器からの１つまたは数個の組み合わされた加速度計信号の複数の成分を再現することができる。

角度窓［α１；α２］内の信号ｓ（α）の帯域通過フィルタ（ＦＩＬＴ）
窓処理後、信号ｓ（α）はスペクトル解析によって求められた不要なスペクトル成分を取り除くことを可能にする帯域通過フィルタによってフィルタ処理される。窓［α１；α２］内のこのフィルタ処理された信号はｓ_f（α）と表される。フィルタの遮断周波数（Ｆ１とＦ２）も燃焼オブザーバの調整パラメータである。これらは、特に振動応答の周波数の内容を条件付けるエンジンの構造と、検出器の技術に依存している帯域通過によって特徴付けられる検出器とに関連している。段階２で説明したように信号ｓ（α）のスペクトル解析によって、有用な（燃焼を定量化する）周波数帯域を選択し、帯域通過フィルタの両遮断周波数（Ｆ１とＦ２）を調整することができる。

帯域通過フィルタの逆転による有用な複数の高調波の再現（ＲＥＣ）
加速度計からのフィルタ処理された信号の計測値ｓ_f（α）からこの信号の複数の周波数成分（高調波）を再現（予測）することが目的である。本方法は主に以下の３つの段階を有している：振動検出器の動力学のモデルを定める段階、時間的に準不変な複数のパラメータによって振動信号を特徴付ける段階、適応型の非線形推定器を結合する段階、および、可能なら推定器の品質を検査する段階。

帯域フィルタ動力学モデル
エンジンによって発生する複数の振動は、ωで表され、振動検出器によってｓ（α）で表される信号の形態で記録される加振を構成する。それから、この計測値は帯域通過フィルタによってフィルタ処理される（ｓ_f（α））。このフィルタは、角度領域において、以下の状態系で表すことができる。

ここで、

であって、状態ベクトルと呼ばれる

α：クランク角度
ω：エンジン加振
ｙ：モデル出力、Ｃ．ｘに等しい、つまり計測信号ｓ_f（α）
（Ａ，Ａ₀，Ｃ）：使用される帯域通過フィルタを定めるパラメータ：

係数ａ₀．．．ａ_nとｂ₀．．．ｂ_nとは周波数Ｆ１とＦ２との関数として定められる。これらは、使用する帯域通過フィルタの複数の数値係数に相当する。

この式（１）は、帯域通過フィルタの動力学を実時間で表すモデルである。

時間的に準不変な複数のパラメータによる信号ωの特徴付け
フィルタの動力学と計測値ｙとのこのモデルから、有用な複数の周波数（燃焼に関する情報を含む）を使用して、信号ωを予測すること、つまりエンジンによって発生する振動信号ｓ（α）を再現することが目的である。本発明の方法によれば、この信号ωは時間的に準不変な複数のパラメータによって特徴付けられ、それによってこの推定を実時間で実行できる。言い換えると、信号ωは所与の時刻において一定である複数のパラメータによって定められる。そのため、信号ωが機械的に周期的であることが利用される。したがって、非常に変わりやすい信号ωの推定を実施する代わりに、この信号のフーリエ展開の複数の係数を推定することができる。信号ωの周期的な特性との関係で信号ωを記述できる任意のパラメータを使用することもできる。

わかりやすいように複素数に展開される信号ωの複数のフーリエ係数への展開を以下のように記述する。

Ｃ_kは、信号ωを展開したｐ個のフーリエ係数を表している。したがって、時間的に不変であるパラメータｃ_kの関数として振動信号を表している信号が、定義される。したがって、有限の高調波だけを使用すると、実時間で振動検出器の動力学を表す物理モデルは、以下のように記述することができる。

本発明によれば、目的は信号ωの展開の複数のフーリエ係数（ｃ_k）を推定することである。

適応型非線形推定器との結合
加速度計信号の周期的な加振をそのフィルタ処理された計測結果ｓ_f（α）から再現するために「フーリエオブザーバ」と呼ばれる推定器を定めることが目的である。そのため、フィルタ動力学が逆転され、加速度計信号複数の周波数成分が再現される。

系（３）によって記述されているモデルから、一方では動力学に関連している項と、他方では補正項とを有している適応型非線形推定器を定める。

ここで、

Ｌ：較正される行列
Ｌ_k：確実に収束するように較正される複数の行列
行列ＬとＬ_kとの選択によって予測器（オブザーバ）の収束が以下のように保証される。

式（4）の系は、信号ωのフーリエ係数への展開の複数の係数ｃ_kを予測することができる適応型非線形推定器を表している。

この方法は、複数の係数ｃ_kによる加振の再現を行う。再現された加速計信号は、以下の関係によって得られる。

高調波の選択
段階１で選択された複数の高調波（ω_k）が信号の再現に使用される場合について検討した：ｋは１とｐとの間が範囲であって、そのため、ｐ個の高調波が使用され、これらの高調波は燃焼を定量化する情報を含んでいる。

しかしながら、加振の予測（α）は、多数の高調波から実行することができる。実際に、より多くのフーリエ係数が使用されるほど、より正確な加振ωが再現される。本発明の範囲から逸脱することなく、段階１で選択された高調波の数とは異なる高調波（ｐ）の数を選択することもできる。他方、加振の再現のために選択される高調波の数が増加すると、計算時間が長くなる。そのため、計算速度と精度との間で妥協点を見つける必要がある。

したがって、目的は適切なω_kと適切なパラメータｐとを求めること、つまり信号の再現に必要な高調波の数を選択することである。この選択は、さまざまな高調波の各エネルギーに依存する。一般に、最初の３つの高調波が燃焼の定量化に対して最も重要であって、それらは加振の再現に十分である。ほとんどの場合、ｐ＝３とする。したがって、この信号は（α）と表される。

推定の品質の検査（ＶＡＬ）
間違った複数のパラメータがエンジン制御部分に送信されることを防ぐために、図２に点線で示している任意採用の段階によって、加速度計信号の再現の適切さが確認される。エラー信号の２乗に対する閾値（計測値と予測値との間の差）によってこの機能がもたらされる。

この閾値εが大き過ぎて、前述の固定閾値Ｓよりも大きい場合、複数のパラメータはエンジン制御部（ＮＳ）には送信されない。逆の場合は、段階４（ＣＡＬ）が実行される。

段階４：直接の燃焼定量化のための複数のパラメータの決定（ＣＡＬ）
振動信号の複数の周波数成分の予測の適切さが確認されるとすぐに、エンジン制御動作を実行することができる。燃焼の遷移状態でのループ制御には、サイクルごとの制御を達成するように、複数の燃焼パラメータの実時間推定（ＣＡＬ）が必要となる。本方法の原理は、ＰｏＣと呼ばれる４つのパラメータの実時間推定に基づいている。これらのパラメータによって、エンジンのシリンダ内の燃焼を特徴付けることができる。

複数の燃焼パラメータの計算は、選択された複数の高調波（スペクトル成分）に含まれているエネルギーの解析に基づいている。エネルギーＥは、周期オブザーバによって伝達され、２乗された最初のｋ個のフーリエ分解係数の総和によって与えられる。

このパラメータは物理的な意味を有しているが、これは、エネルギーＥ（α）が燃焼中に放出されるエネルギーと共に増加するためである。

燃焼記録に関する４つの指標（ＰｏＣ）が以下のように定められる：
−ＳｏＣ（燃焼の開始）はシリンダ内の反応の開始であって、
−ＭｏＣ（燃焼の最大）は最大エネルギー放出に関連しており、
−ＤｏＣ（燃焼の継続時間）は反応期間の指標であて、
−ＥｏＣ（燃焼のエネルギー）は燃焼によって発生した騒音レベルを与える。

振動信号からの、これらの燃焼パラメータ（ＰｏＣ）の計算をここで説明する。

ＳｏＣ（燃焼の開始）は、Ｉで表されるエネルギーの正規化された積分がその最終値の１０％に等しくなる角度（度で示す）に対応している。

ＭｏＣ（燃焼の最大値）は関数Ｅの最大値の発生する角度（度で示す）で定められる。
Ｅ（Ｍｏｃ）＝ｍａｘ（Ｅ（α））
ＤｏＣ（燃焼の継続時間）はＳｏＣと関数Ｉが最終値の９０％に到達する角度α₉₀との間の角度（度で示す）で定義される。
ＤｏＣ＝α₉₀―ＳｏＣ
Ｉ（α₉₀）＝０．９
ＥｏＣ（燃焼のエネルギー）は信号Ｅの積分によって与えられる。

他の実施形態によれば、信号のエネルギーを平滑化する平滑化関数Ｆを使用することもできる：Ｅ’（ａ）＝Ｆ（Ｅ（ａ））。

それから、Ｅ′（α）と表されるこの平滑化されたエネルギーは、Ｅ（α）の代わりに複数の燃焼パラメータ（ＰｏＣ）の計算に使用することができる。

段階５：燃焼のエンジン制御（ＣＴＲＬ）
閉ループ制御方策の実行が可能であることは、４つの燃焼パラメータＰｏＣの組み合わせに基づいている。多シリンダエンジン制御の問題は、マッピングに基づいているコントローラが解決できないシリンダ毎のアンバランスにしばしば関連している。実際、基本マッピングは考え得るばらつきを考慮せずに各シリンダに適用される。閉ループ制御によって、各シリンダ内の燃焼に適している追加の修正項が得られる。シリンダ毎のずれには数個の原因がある：
−燃焼質量割合の一様でない分布、
−シリンダ毎の熱的な変動、
−アクチュエータドリフトによるパイロット噴射の不具合。

前述の複数の現象が、燃焼効率と、騒音と振動に関する快適性と、の両方を変化させる複数のベクトルのビームを構成している。燃焼の性質の変動も燃焼のプロフィールを変化させる場合があることと、噴射マッピングに含まれている制御値が無効になることがわかる。複数のパラメータＰｏＣは、燃料の特性の変動またはシリンダ毎のアンバランスを補償するために使用される。複数のパラメータＰｏＣに基づく２つの制御方策を例として説明する。

燃焼タイミングの調整：燃焼タイミングは、必須の成分であり、これは、燃焼効率と排出物の最適化に対して考慮されるからである。まさにこのような場合、ＳｏＣとＭｏＣとは噴射進角をループ制御するには理想的な候補である。これはそれらが燃焼タイミングを表しているからである。

騒音制御装置：燃焼によって発生する騒音は、所定の複数の限界値を超える場合、乗り物の操縦の快適性に影響を与える。パイロット噴射中に導入質量の制御によって騒音が低減される。シリンダ内に導入される気体の燃焼質量割合を修正することによって燃焼の開始を制御することもできる。この場合、パラメータＥｏＣは各シリンダの騒音レベルを示すことから、理想的なパラメータである。

応用例
本発明の能力をＨＣＣＩモードで動作しているディーゼルエンジンへの応用によって示す。説明のために、この例は、１つのシリンダに注目しているが、本方法は複数のシリンダのエンジンに容易に一般化することができる。この例の目的は、フーリエオブザーバから得られた複数のパラメータＰｏＣをシリンダ圧力信号の解析から得られた複数のパラメータと比較することによって、これらが適切であることを示すことである。パイロット噴射中に噴射される質量の制御も示し、この方法の目的はエンジンの騒音レベルを下げることである。

オブザーバの較正
Ｎ_cylがエンジンのシリンダ数を表している表１はフーリエオブザーバの較正に必要な複数のパラメータの値を示している。

表１：試験エンジンに対して適切な複数の調整パラメータの概要
周期オブザーバの結果
図３Ａから３Ｆは所与のエンジン動作点に対する加振に由来する振動応答の解析によって得られた結果を示している。

計測された加速度計信号ｓ（α）と再現された加速度計信号

（α）とを図３Ａに示している。

図３Ｂは、最初の３つのフーリエ係数のエネルギーＥ（α）を示しており、図３Ｃはエネルギーの積分ＩＥ（α）を示している。

これらの結果が、同じエンジンの動作点について、燃焼室内の圧力信号の解析結果と比較される。図３Ｄはシリンダ圧力（ＰＣＮ）を示しており、図３Ｅはエネルギー放出率（ＶＬＥ）を示しており、図３Ｆは燃焼質量割合（ＦＭＢ）を示している。

図３Ａから３Ｆは本発明によって得られた結果と圧力信号の解析によって得られた結果との類似性を示している。

複数のパラメータＰｏＣのシリンダ圧力解析から得られた結果との相関
複数のパラメータＰｏＣの計算方法は、テストベンチ上で実行された実験調査から得られた複数の加速度計信号のデータベース上で試験された。
データベースでは以下の量がパラメータとして変化している。
−エンジン回転数
−平均指示圧力（ＭＩＰ）
−噴射進角（ＡＶＩ）
−吸気部分での燃焼気体割合（ＢＧＲ）
燃焼解析から得られた複数のパラメータを専門家は基準値と見なす。したがって、ＳｏＣは燃焼燃料質量ＭＦＢの１０％の曲線を表しているＭＦＢ１０と比較され、ＭｏＣは熱放出曲線ＲＯＨＲ（熱放射率）の最大値に対応しているクランク角度と比較され、ＥｏＣは騒音計算装置によって計算された騒音ＡＶＬと比較される。本方法を説明するために、ＳｏＣ、ＭｏＣ、およびＥｏＣの相関の結果を図４、５、および６に示しており、図４は、ＳｏＣとＭＦＢ１０との相関を示しており、図５はＭｏＣと熱放出率曲線の最大値の発生角度（ＡｎｇｌｅＭａｘＲＯＨＲ）との相関を示しており、最後に図６はＥｏＣとｄＢで表している騒音ＡＶＬとの相関を示している。

これらの相関はＳｏＣとＭｏＣの場合は１次であって、ＥｏＣの場合は単調２次である。そのため、複数のパラメータＰｏＣは燃焼制御のための適切な変数を構成している。

本発明の利点
提供される方法は、従来の方法とは異なりシリンダ圧力を直接計測することなしに一式の燃焼パラメータを実時間で得ることができるという長所がある。したがって、エンジン周期の最後で複数の燃焼パラメータが得られ、前の周期の診断と、（必要ならば）次の燃焼の安定を保証し、次の燃焼が基準点（例えば、反応の開始、燃焼期間、および騒音）に関して一致するように、その後の噴射パラメータの修正とに利用することができる。信号の周波数解析は、計算時間についてコストがかかり、実時間処理には不適切なことがあることがわかる。ここで提供される本方法は、正確で高速である。

さらに、本発明の方法は、燃焼の性質や使用する検出器の技術に依存しない。複数のパラメータの調整によって、本方法は様々なエンジン／検出器の構成に良好に適応する。

本発明のループ燃焼制御のフローシートである。 パラメータＰｏＣの計算を分割したブロック図である。 計測された加速度計信号ｓ（α）と再現された加速度計信号

（α）との図である。
最初の３つのフーリエ係数のエネルギーＥ（α）の図である。 エネルギー積分ＩＥ（α）の図である。 シリンダ圧力（ＰＣＮ）の図である。 エネルギー放出率（ＶＬＥ）の図である。 燃焼質量割合（ＦＭＢ）の図である。 ＳｏＣとＭＦＢ１０との相関の図である。 ＭｏＣとエネルギー放出率曲線の最大値の発生角度（ＡｎｇｌｅＭａｘＲＯＨＲ）との相関の図である。 ＥｏＣとｄＢで表した騒音ＡＶＬとの相関の図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの振動検出器を有する内燃エンジンの複数の燃焼パラメータを決定する方法であって、前記検出器から出力され、前記エンジンの振動を表し、数個の高調波を有するクランク角度の関数としての振動信号を連続して取得するステップと、前記振動信号をフィルタによって実時間フィルタ処理するステップとを有し、
   前記フィルタの動的特性のモデルを構築し、前記動的特性に関する項を一方で有し、補正項を他方で有する適応型非線形推定器を前記モデルから定める段階と、
   前記推定器によって取得された前記振動信号のフーリエ展開の複数の係数を実時間で推定する段階と、
   前記振動信号のｋ個の高調波のエネルギーを、前記フーリエ展開のｋ個の係数の２乗和から求める段階と、
   前記エネルギーを使用して前記複数の燃焼パラメータを実時間で推定する段階と、
   が実行されることを特徴とする方法。
2. 前記フーリエ展開の複数の係数は燃焼に関連する高調波に対してのみ推定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃焼に関連する前記複数の高調波はスペクトル解析を実行することによって選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記燃焼に関連する前記複数の高調波は時間／周波数解析を実行することによって選択される、請求項２に記載の方法。
5. 前記燃焼に関連する前記複数の高調波は３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚの周波数帯域内で選択される、請求項２に記載の方法。
6. 選択される前記高調波の数は３つである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記燃焼に関連する振動応答全体を含んでいる角度範囲が定められ、前記振動信号は、前記フィルタ処理の実行前に前記角度範囲に限定される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記フィルタは帯域通過フィルタである、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記複数の燃焼パラメータは、以下の現象：燃焼の開始、前記エネルギーが最大となる前記クランク角度である燃焼の最大値、燃焼の継続時間、および燃焼のエネルギーの少なくとも１つを表している、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 複数のエンジンパラメータは、前記エンジンの前記燃焼を制御するために、決定された前記複数の燃焼パラメータの関数として修正される、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。

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