JP2000501506A6

JP2000501506A6 - 内燃エンジンの爆発検出方法

Info

Publication number: JP2000501506A6
Application number: JP1997521133A
Authority: JP
Inventors: フォンタナ、ロベルト; モッラ、ジャンルカ; レ・フィオレンティン、ステファノ
Original assignee: シー・アール・エフ・ソシエタ・コンソルティーレ・ペル・アツィオニ
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2016-11-29

Abstract

本発明の方法はエンジンブロックの振動強度に関係する爆発信号（Ｄ）を発生し、爆発信号（Ｄ）を広帯域濾波し、濾波された爆発信号（Ｄ）を整流し、整流された信号を積分し、積分結果の対数（ｘ_i）を計算し、計算された対数（ｘ_i）の関数として平均値（μ_i）を計算し、対数値（ｘ_i）と平均値（μ_i）の関数として第１、第２の標準偏差に関係する量の値（σ⁺、σ^-）を計算し、標準偏差に関係する量の値（σ⁺、σ^-）の関数として爆発係数値（ＫＩ_i）を計算するステップを含んでいる。

Description

内燃エンジンの爆発検出方法
［技術分野］
本発明は内燃エンジン用の爆発検出方法に関する。
［背景技術］
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、即ち制御されない混合物の燃焼になり、これは厳しい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の急激な故障を生じる。
この理由で、幾つかのシステムが提案されており、または爆発状態または現象自体を検出するために現在開発中であり、それによって燃焼パラメータを制御することによって爆発の可能性または結果を減少させる。
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に基づいている。通常の燃焼状況下では、ピークは典型的に丸みを有しているが、爆発の場合には、多数の刻みを有するぎざぎざのエッジを有する（図１ａと１ｂ）。
これらの刻みの解析は爆発検出の目的に有用な情報を与える。
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、これは技術的に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。
日本電装株式会社による英国特許第A-2 265 006号明細書には例えばエンジンブロックに爆発センサを使用する爆発制御システムに関して記載されているが、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爆発を検出し、前もって注入を行う等のエンジンパラメータを制御することにより爆発を除去する。特に、このシステムはセンサ信号強度の対数変換を行い、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、前記値を、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する。
センサの出力信号の狭い帯域の濾波により得られるスペクトル成分の振幅を表した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からなり、最高のエネルギ内容を有する高調波だけを抽出するために狭い帯域幅で濾波される。
前述の特許明細書では、平均値と標準偏差は、一時に１つのエンジンサイクルを参照して、各サイクルの爆発しきい値を適合することにより計算される。
しかしながら場合によっては、一時に１スペクトル周波数および１エンジンサイクルを基礎とするエンジンの制御動作は限定的である。
即ち、１周波数に集中することは爆発により付勢される他の周波数を無視することであり、単に１サイクルづつ局部爆発を減少することによってエンジンを制御することは、所定数の爆発をこのような多数のエンジンサイクルおよび／またはあるシリンダでのみ可能にすることによってエンジン効率が時折最良に促進される意味で、必ずしも最良の解決策ではない。実際、高度の効率を許容することによるトレース爆発は好ましいエンジン動作状態であり、それ故開発されているものもある。
最後に、決定しきい値の適合は非常に多数の処理を含み、これはさらに方法の実行を複雑にする。
［発明の開示］
本発明の目的は、前述の欠点を除去するように設計された内燃エンジンの爆発検出方法を提供することであり、これは爆発の最適な制御を行うことを可能にする。
本発明にしたがって、内燃エンジンの爆発検出方法が与えられ、その方法は、
ａ）爆発の存在に関連する物理量の強度に比例した爆発信号を発生し、
ｂ）前記爆発信号を広帯域濾波して、第１の中間信号を発生し、
ｃ）前記第１の中間信号を整流して、第２の中間信号を発生し、
ｄ）前記第２の中間信号を積分して、第１の数値を得、
ｅ）前記第１の数値の対数を計算して、第２の数値を得、
ｆ）前記第２の数値の関数として平均値を計算し、
g）前記第２の数値と前記平均値の関数として標準偏差に関する少なくとも第１の量の値を計算し、
ｈ）標準偏差に関する前記第１の量の値の関数として爆発係数値を計算するステップを有することを特徴とする。
［図面の簡単な説明］
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、本発明はそれに限定されるものではない。
図１ａ、１ｂはそれぞれ爆発のない圧カサイクルグラフと爆発のある圧力サイクルグラフの２つのグラフを示している。
図２は本発明にしたがった検出方法を実行している内燃システムの簡単な図を示している。
図３は本発明にしたがった検出方法の第１の実施形態のフローチャートを示している。
図４は爆発のあるサイクルおよび爆発のないサイクルに関する帯域幅の関数としての標準偏差のグラフを示している。
図５、６、７は本発明にしたがった検出方法の第１の実施形態に関する量の数のグラフを示している。
図８は本発明にしたがった検出方法の第２の実施形態のフローチャートを示している。
図９は本発明にしたがった検出方法の第２の実施形態に関する量の数のグラフを示している。
［好ましい実施例の詳細な説明］
図２の符号１は内燃エンジン２に固定されている爆発検出装置を示しており、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。
検出装置１は、エンジン２のブロック３に固定され、ブロック３の振動強度に関する爆発信号Ｄを発生する既知の加速度センサ５（詳細には説明しない）と、爆発信号Ｄが与えられ、それぞれ本発明にしたがった方法の第１、第２の実施形態に関する図３、８のフローチャートを参照して以下説明する動作を実行する中央処理装置６とを具備している。
特に、図３、８で示されている動作は連続的に爆発を監視するために内燃エンジン２の各燃焼に対して反復され、所定のｉ番目の反復で計算された各値は下付き“ｉ”で示されている。
本発明にしたがった方法の第１の実施形態に関する図３で示されているように、内燃エンジン２の各燃焼に続いて、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の振動強度に関係する爆発信号Ｄを獲得する（ブロック10）。
爆発信号Ｄはその後、広帯域濾波され（ブロック11）、整流され（ブロック12）、タイムウィンドウ中で積分される（ブロック13）。
特に、濾波の帯域幅は詳細に後述するように実験的に決定され、積分タイムウィンドウにおいて、最上部死点の中央位置のすぐ後で関係するシリンダ４の燃焼と共に開始し、継続時間はエンジン２の速度と負荷に基づいている。
積分結果の対数ｘ_iが計算され（ブロック14）、後述するように、対応する平均値μ_iは対数値ｘ_iの関数として決定され（ブロック15）、対応する標準偏差値σ_iは上記のようにして決定された平均値μ_iと計算された対数値ｘ_iの関数として決定される（ブロック16）。
先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の差Δσ_iはエンジン２の速度および負荷に基づいて決定される（ブロック17）。
結果的な差の値Δσ_iはエンジン２の爆発“性質”を表す爆発指数ＫＩ_iを決定するために使用される（ブロック18）。
純粋に例示により、爆発指数ＫＩ_iは以下の式を使用して決定される。
ＫＩ_i＝Δσ・ｅ^(RPM/C) １）
ここで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で計算された差であり、Ｃは適切な定数（例えば１０００）である。この場合、爆発指数ＫＩ_iはエンジン負荷に依存していない。
加速度センサ５により発生された爆発信号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り決定され、図４はエンジン２の爆発サイクルと非爆発
サイクルに関する標準偏差σ_i対濾波帯域幅のグラフを示している。両者の曲線は帯域幅の平方根に反比例しており、両者の場合の標準偏差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、実験結果から例えば５乃至２５ｋＨｚの帯域幅が選択されることが好ましい。
平均値μ_iは次式を用いて計算される。

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番目の前の反復ｉ−1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対数値で、λ₁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、計算された平均値μ_iは計算された対数値ｘ₁に一致し、一方、第２の反復から、平均値μ_iはｉ目の反復で計算された対数値ｘ_iと反復ｉ−１で計算された平均値のμ_i-1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ている。
例示により、図５は、濾波し整流した爆発信号Ｄを積分した結果の対数を計算して得られた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）のグラフを示している。
標準偏差σ_iは次式を使用して計算される。

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は反復ｉ、ｉ−１と１でそれぞれ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、平均値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は、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λ₁にしたがって加重されている。
例により説明すると、図６は、式３）に従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のグラフを示しており、図７は爆発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の試験から結果を得ている。特に２つの破線は標準偏差σ_iが爆発がないときに変化する範囲を限定しており、この範囲外の値は爆発の存在に関連する。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、爆発がないときの標準偏差値σ_iは僅かに変化する。
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、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指数を決定する。
図８は、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おり、これは本発明にしたがった方法の第２の実施形態
に関する。
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の実施形態のように、各燃焼に続いて加速度センサ５により発生された爆発信号Ｄが得られ（ブロック20）、爆発信号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積分され（ブロック23）、積分結果の対数ｘ_iが計算され（ブロック24）、計算されたｘ_i値の関数として対応する平均値μ_iは式２）にしたがって計算される（ブロック25）。
しかしながら、第１の実施形態とは異なって、この点で計算された対数値ｘ_iと、対応する更新された平均値μ_iの比較が行われる。値ｘ_iが対応する更新された平均値μ_i以上であるならば（ブロック26外のイエス）、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）。
この点で、第1、第２の標準偏差に関係する量によりそれぞれ想定される値σｉ⁺とσ_i ^-は対数値ｘ_iおよび、対応する平均値μ_iの関数として計算される。特に、対数値ｘ_iが正の半分布値であるならば、標準偏差に関係する量の値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）。

ここで、σ_i ⁺とσ_i ^-はｉ番目の反復で計算された標準偏差に関係する量の値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はi番目の前の反復ｉ−１で計算された標準偏差に関係する量の値であり、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第２の数値であり、λ₂は予め定められたパラメータである。
反対に、対数値ｘ_iが負の半分布値であるならば、標準偏差に関係する量の値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）。

ここで、種々の項は先の式と同一の意味を有する。
例により説明すると、図９はトレース爆発が存在する場合の、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）のグラフを示している。
先に計算された標準偏差に関係する量の値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の爆発“性質”を表す爆発指数ＫＩ_iを決定するために使用される（ブロック32）。
単なる例示によって、爆発指数ＫＩ_iは以下の式を用いて決定される。
ＫI_i＝Δσ_i−Δσ_o ６）
ここで、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。
本発明にしたがった方法の利点を以下説明する。
まず第１に、これはサイクル変化の標準偏差に関する最大の可能な情報量を利用するために広帯域幅濾波された信号に基づいて動作するが、そうであっても、明白に、他の爆発に関係しない現象の効果を検出することも意味している。
爆発係数は多数のエンジンサイクル中に存在する爆発貢献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、したがって爆発現象の正確な画像が描写されることを可能にし、マイナーな爆発がトレース爆発を制御するために検出されることを可能にする。
最後に、これは単一パラメータ（標準偏差）により爆発現象をモデル化し、任意の動作状態と任意のタイプのエンジンで有効なしきい値を限定するために与えられ、それによ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処理を簡単にし、したがって素子の要求が減少する。
明らかに、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変形が行われよう。

Claims

ａ）爆発の存在に関連する物理量の強度に比例した爆発信号（Ｄ）を発生し、
ｂ）前記爆発信号（Ｄ）広帯域濾波して、第１の中間信号を発生し、
ｃ）前記第１の中間信号を整流して、第２の中間信号を発生し、
ｄ）前記第２の中間信号を積分して、第１の数値を生成し、
ｅ）前記第１の数値の対数を計算して、第２の数値（ｘ_i）を獲得し、
ｆ）前記第２の数値（ｘ_i）の関数として平均値（μ_i）を計算し、
ｇ）前記第２の数値（ｘ_i）と前記平均値（μ_i）の関数として少なくとも第１
の標準偏差に関連する量の値（σ_i；σ_i ⁺，σ_i ^-）を計算し、
ｈ）前記第１の標準偏差に関する量の値（σ_i；σ_i ⁺，σ_i ^-）の関数として爆発係数値を計算するステップを有することを特徴とする内燃エンジンの爆発検出方法。
前記ステップｈ）が、
ｉ）前記第１の標準偏差に関する量の値（σ_i）としきい値（σ₀）との差を決定して、第３の数値（Δσ_i）を生成し、
１）前記第３の数値（Δσ_i）の関数として前記爆発係数（ＫＩ_i）の値を計算するステップを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ステップ１）は次式を使用して計算され、
ＫＩ_i＝Δσ・ｅ^(RPM/C)
ここで、ＫＩ_iは前記爆発係数の値であり、Δσ_iは前記第３の数値であり、ＲＰＭはエンジン(2)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
ことを特徴とする請求項２記載の方法。
ステップｉ）で使用された前記しきい値（σ₀）は予め定めら、前記エンジン（２）の１分当りの回転数（ＲＰＭ）の変化と共に一定であることを特徴とする請求項３記載の方法。
前記ステップａ）乃至ｈ）を反復して、前記第２の数値（ｘ_i）の番号（ｉ）と、前記第１の平均値（μ_i）と、前記第１の標準偏差に関連する量の値（σ_i）と、前記爆発係数値（ＫＩ_i）とを生成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
それぞれの前記平均値（μ_i）は次式を使用して計算され、

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番目の前の反復ｉ−１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第２の数値であり、λ₁は予め定められたパラメータであることを特徴とする請求項５記載の方法。
前記第１の標準偏差に関係する量の値（σ_i）はそれぞれ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前記第１の標準偏差に関係する量の値であり、σ_i-1はｉ番目の前の反復ｉ−１で計算された前記第１の標準偏差に関係する量の値であり、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第２の数値であり、λ₂は予め定められたパラメータであることを特徴とする請求項６記載の方法。
ｍ）前記第２の数値（ｘ_i）と前記平均値（μ_i）の関数として第２の標準偏差に関係する量の値（σ_i ⁺、σ_i ^-）を計算するステップを有し、
前記ステップｈ）は、
ｎ）前記標準偏差に関係する量の値（σ_i ⁺、σ_i ^-）の関数として前記爆発係数値（ＫＩ_i）を計算するステップを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記ステップｎ）は、
ｐ）前記標準偏差に関係する量の値（σ_i ⁺、σ_i ^-）の間の差を決定して第４の数値（Δσ_i）を獲得し、
ｑ）前記第４の数値（Δσ_i）の関数として前記爆発係数値（ＫＩ_i）を計算するステップを有することを特徴とする請求項８記載の方法。
前記ステップｑ）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は前記第４の数値であり、Δσ_oは予め定められた標準値であることを特徴とする請求項９記載の方法。
前記第２の数値（ｘ_i）の番号（ｉ）と、前記平均値（μ_i）と、前記標準偏差に関係する量の値（σ_i ⁺、σ_i ^-）と前記爆発係数（ＫＩ_i）とを生成するために前記ステップａ）乃至ｎ）を反復することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の方法。
前記各平均値（μ_i）は次式を使用して計算され、

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番目の前の反復ｉ−１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第２の数値であり、λ₁は予め定められたパラメータであることを特徴とする請求項１１記載の方法。
同じ反復で計算された第２の数値（ｘ_i）が、同じ反復で計算された平均値（μ_i）以上であるならば、前記標準偏差に関係する量の値（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番目の反復で計算された標準偏差に関係する量の値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はｉ番目の前の反復ｉ−１で計算された標準偏差に関係する量の値であり、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第２の数値であり、λ₂は予め定められたパラメータであることを特徴とする請求項１２記載の方法。
同じ反復で計算された第２の数値（ｘ_i）が、同じ反復で計算されたされた平均値（μ_i）より小さいならば、前記標準偏差に関係する量の値（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番目の反復で計算された標準偏差に関係する量の値であり、σ⁺ _i-1とσ^- _i-1はｉ番目の前の反復ｉ−１で計算された標準偏差に関係する量の値であり、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第２の数値であり、λ₂は予め定められたパラメータであることを特徴とする請求項１２または1３記載の方法。
前記ステップｂ）は５乃至２５ｋＨｚの間で前記爆発信号（Ｄ）を濾波するステップを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項記載の方法。
前記ステップｄ）は燃焼段で予め定められたタイムウィンドウ中で行われることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項記載の方法。
前記積分タイムウィンドウは前記燃焼段において、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（２）の速度と負荷の関数としての継続時間を有することを特徴とする請求項１６記載の方法。