JP2004522977A - 燃焼エンジン内のシリンダ圧を測定する装置および方法 - Google Patents

Abstract

燃焼エンジンのシリンダ内の圧力をピストンの移動時に発生するエンジン内の振動に基づいて求める。圧縮から膨張に移行する時点でのピストンの上死点位置付近の領域内で、シリンダ上に位置する振動センサ（４）からの振動信号（Ｓ）を特殊なフィルタ（６）中で濾過するが、そのフィルタでは半ハニング・フィルタが、ピストンの上死点位置後の振動信号に対して作用する。次いで、振動と圧力の間の確立された関係に基づいて、この濾過信号（Ｕ）を圧力信号（Ｐ）へ変換する。半ハニング・フィルタは、指数フィルタよりもかなり短い時間窓（Ｔ_H）を有する。新規のフィルタ（６）は、有利な方式で振動信号を濾過して、より信頼性のある圧力測定を可能にする。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つには特許請求項１のプリアンブルにしたがう、燃焼エンジンのシリンダ内の圧力を測定する方法に関し、１つには特許請求項９のプリアンブルにしたがう、燃焼エンジンのシリンダ内の圧力を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼エンジンでは、エンジンの燃焼過程に関する重要な情報を入手するためばかりでなく、エンジンの状態を把握するためにも、シリンダ圧を使用することができる。したがって、シリンダ圧に関する情報を使用してエンジンを監視し、どのような動作不良も検出することができる。
【０００３】
シリンダ内の圧力測定は、たとえば、シリンダ・ヘッド中に嵌め込んだ圧力センサを使って行うことができるが、このような方法は、複雑であり、また圧力センサが非常に困難な環境で動作することにもなり、その耐用寿命と信頼性に制約を受ける。このようなセンサを取り付ける適切なスペースを構成することにも別の難しさがある。このような解決策は実験室用のみで適切であるにすぎない。したがって、シリンダ圧を測定する問題に対して別のより簡単な解決策を求める大きな要望がある。
【０００４】
もう１つの知られている解決策によれば、エンジン上に位置する１つまたは複数の加速度計の形態にあるセンサを使用するが、これはシリンダ内の圧力変化によって生じる振動に関する情報を供給し、次いでこれらの振動に基づいてシリンダ内の圧力構成を示そうとするものであった。この態様では、エンジンが複雑な構造であるために、適切で信頼性のある結果を実現することは困難であった。元の圧力信号がエンジン内を伝播する仕方は、複雑であり、さらに振動信号の読取り上問題を引き起こす共振、高調波、および他の現象を発生させる。しかも、ピストンの傾き、バルブ、および隣接シリンダなどの要因が振動信号に影響する恐れがあって読取りを困難にする。さまざまな種類のフィルタが試されてきたが、満足のゆく結果は出ていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、エンジンの振動解析に基づいて、従来よりも容易かつ確実にエンジン内のシリンダ圧に関する信頼性ある情報を入手することである。他の１つの目的は、シンプルで低コストの手段によってこれを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの目的を、１つには特許請求項１に示す特徴を有する方法によって実現し、また１つには特許請求項９に示す特徴を有する装置によって実現する。
【０００７】
本発明によれば、振動信号の解析に新規かつ特殊なフィルタリングを使用して、振動信号の最も重要な部分、すなわち、シリンダ内のピストン上死点位置付近における振動信号の信頼性のある解析が可能になる。新規タイプのフィルタリングによって、圧力信号へ変換後、エンジンの状態を測定するために使用可能な信頼のおける測定値を供給できる安定した振動信号の抽出が可能になる。
【０００８】
本発明の他の利点および特徴については、以降に続く説明および特許請求の範囲において指摘する。
【０００９】
添付の図面に示す１つの実施例を参照して、以下に本発明をさらに詳細に説明する。
【実施例】
【００１０】
図１は、フライ・ホイール２と、エンジンのシリンダ・ヘッド３上に位置し、エンジン・シリンダのそれぞれに１個ずつ取り付けた幾つかの振動センサ４を備える６気筒ディーゼル・エンジン１を模式的に示す。これらの振動センサ４（圧電型加速度計が有利である）の目的は、シリンダ内で燃料が着火するとき圧縮から膨張へ移行する時点において、シリンダのピストンがその上死点位置の近傍にあるとき、それぞれのシリンダ内の圧力パルスによって発生する振動を記録することである。フライ・ホイール２に隣接して取り付けた位置センサ５を使用して、どのシリンダのピストンが上死点位置にあるのか、したがって、どのシリンダが記録されているのかを測定する。
【００１１】
動作時には、エンジン１内で生じる複雑な振動のために、振動信号を読み取ることが困難になる。図２は、本発明にしたがって設計した、振動信号を処理するための適切な装置１０を示す。本発明にしたがって設計したフィルタ６に振動センサ４から入手した振動信号Ｓを濾過する。得られるものは重みづけ振動信号Ｕであり、この重みづけ振動信号を、特定のシリンダのピストンが上死点位置の近くを移動する間に、そのシリンダ内の圧力の変わり方を示す圧力信号Ｐへ変換するモジュール７に通過させる。この圧力信号Ｐは次の解析のためにレジスタ８中に格納される。
【００１２】
横軸がクランクシャフト角を表し、左縦軸が測定した加速度を表す図３は、振動信号Ｓの振幅および振動数が、クランクシャフト角（ＣＡ）値ゼロにおけるピストン上死点（ＴＤＣ）位置（縦線で示す）付近で変化する仕方を示す。この振動は、１つにはピストンの上方移動時の圧縮に起因し、また１つには燃料着火による圧力パルスに起因する。ここでは、それぞれのクランクシャフト回転の限定的な部分の間における振動信号Ｓのみが対象であり、この例の検討では、ＴＤＣ位置前の約６０°の角度とＴＤＣ位置後の同角度の間、すなわち、合計約１２０°にわたる領域に限定する。当然のことであるが、必要に応じてそれ以上またはそれ以下の領域を採用する場合もある。
【００１３】
したがって、フィルタ６は、振動信号のいわゆる重みづけを実行する。適用する重みづけ関数Ｗ_Z（ｔ）が、右縦軸にしたがって図３の曲線Ｗ_Zとして示してある。図示の領域では、この重みづけ関数が３つの異なる区域Ｔ₀、Ｔ_H、およびＴ_Eを有し、ここで区域Ｔ₀とＴ_Hを合わせた区域が区域Ｔ_Eと同じ長さであり、ＴＤＣ位置付近で対象になっている。この重みづけ関数Ｗ_Z（ｔ）を次のように記述することができる。
【００１４】
【数１】
この方程式では、零点パディングが区域Ｔ₀を表し、そこでは関数Ｗ_Z（ｔ）が値ゼロをとる。関数Ｗ_H（ｔ）およびＷ_E（ｔ）を次のように表現することができる。
【００１５】
【数２】
【００１６】
【数３】
上式で、方程式（２）では０〔ｔ’Ｔ_Hであり、方程式（３）では０〔ｔ’Ｔ_Eおよびｔ₀＝０であり、またτはＴ_Eに比例する時定数である。
【００１７】
関数Ｗ_H（ｔ）を有する区域Ｔ_Hは、半ハニング窓を構成し、ここではその長さが、指数窓を構成する区域Ｔ_Eの長さの約１０〜２０％に達するが、約１５％であることが有利である。これらのフィルタのタイプおよびフィルタ関数は、それ自体がよく知られている標準型であり、したがってこの文脈ではこれ以上詳細に論じない。上記の半ハニング窓を指数窓と組み合わせると、ピストンのＴＤＣ位置付近の領域において振動信号を適切に分離することになり、それによって振動信号に基づいて、シリンダ内の圧力との信頼性ある関係をはるかに確立しやすくなる。本発明の範囲内において、異なる区域Ｔ₀、Ｔ_H、およびＴ_Eの間の比率はある程度変化し得る。
【００１８】
区域Ｔ₀およびＴ_Hは共に、振動信号の圧縮部分を対象として含み、区域Ｔ₀を用いて隣接シリンダの効果を排除し、また区域Ｔ_Hによって振動数分解能と漏洩低減の間の適切な折り合いをつける。区域Ｔ_Eは燃焼圧力を対象として含み、弱減衰信号における漏洩誤差を最小限にすると共に、信号ノイズと強減衰信号におけるノイズの間の比率を改善することもできる。
【００１９】
モジュール７おける振動信号Ｕから圧力信号Ｐへの変換には、振動信号と圧力の間の関係を知る必要がある。このような関係は、連続的な振動測定時に、シリンダ内の優勢な圧力を把握することによって確立可能であるが、それは、たとえば、シリンダ・ヘッドに嵌め込んだ圧力センサを使用して、シリンダ内の圧力を検出しかつ連続的に記録することによって実施できる。この態様では、他の現象の影響を抑制するために、ピストンのＴＤＣ位置の両側で、得られる圧力信号を特殊なフィルタにかけることによって、より高い精度を実現することが有利であることが分かっている。このようなフィルタは、フィルタ区域のそれぞれの側にある２つの半ハニング・フィルタからなり、このフィルタ区域によって２つの半ハニング・フィルタ間に均一な水準をもたらすことが有利であると証明されている。シリンダからの振動を同時に検出すると、振動と圧力の間の関係を確立することができる。
【００２０】
したがって、圧力信号Ｐを得るためには、フィルタ６から入手した振動信号Ｕにモジュール７で適用できる伝達関数ＴＦを把握する複雑なスペクトル解析によって可能になる。このような圧力測定を使用して、所与のタイプのエンジンに関して、たとえば、さまざまな速度およびさまざまな負荷における伝達関数ＴＦを確立して、ＴＦマトリックスを得ることができる。次いで、このような測定に基づいて、振動測定のみを使用して圧力を求めるのに十分な基礎を得ることが可能になる。説明したフィルタ６を使用してＴＦの変動値を小さくし、結果としてより信頼性がありかつより確実な圧力を求めることができる。
【００２１】
上で説明した圧力測定および振動測定に基づくもう１つの可能性は、多変量データ解析（ＭＶＤＡ）を実行することであり、したがって、特定のエンジン・タイプに関して、たとえば、さまざまなエンジン回転数およびさまざまな負荷において、振動信号と圧力信号の間の関係を確立することである。したがって、このようにして入手したデータ・モデルに基づいて、モジュール７において、圧力信号Ｐを確立するために特定の動作状況での振動信号Ｕを出発点として使用することができる。
【００２２】
シリンダ１本ごとに少なくとも１個の振動センサ４の使用が望ましいことが実践的な実験で証明されている。とりわけ再現精度の観点から、シリンダ・ヘッド３を実際のエンジン本体に固定するボルト上に、これらのセンサを配置することが有利なことも分かっている。これらのボルトは、シリンダ内の圧力変化に対して最も感受性が高く、かつ他の外乱に対して最も感受性が低いことが分かっている。このような箇所にセンサを配置すると、確実にエンジン本体内の振動と適切に結合することができる。当然であるが、望ましければまたは必要に応じて、本明細書で説明した以外のタイプのセンサと同様に、他のセンサ位置を採用してもよい。
【００２３】
本発明にしたがって、振動とシリンダ圧の関係を確立しかつ適用すると、エンジンに取り付けた適切な数の振動センサを使ってピストンの移動に伴うシリンダ内の圧力の変わり方を把握することが容易になる。したがって、エンジンの状況を監視して、どんな不具合も検出可能になると共に、面倒な検査やエンジンの分解を伴わずに初期段階で処置可能になる。圧力水準と同様に、たとえば、シリンダ内の圧力変化率または放熱率を把握して解析することもできる。
【００２４】
以上に説明したシリンダ内の圧力を測定する装置は、有利なことに、本目的のために設計した評価機器と一緒に、エンジンまたは車両の隣接部分に恒久的に装着可能であり、当然であるが、たとえば、単に振動センサのみをエンジンに装着することも、また必要に応じて、たとえば当該車両中または工場内の適切に設計した評価機器にセンサを連結することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】振動センサを備えるエンジンを示す模式図である。
【図２】振動センサからの信号を処理する装置を示す図である。
【図３】振動信号およびフィルタ関数を示すグラフである。

Claims (15)

1. 燃焼エンジンのシリンダ内の圧力を測定する方法であって、シリンダのピストンがシリンダ内で移動し、エンジン内の振動を記録すると共に、入手した振動信号を濾過し、さらにシリンダ内の圧力を表す圧力信号へ変換する方法が、圧縮から膨張へ移行する時点でのピストンの上死点位置付近の領域内で入手した振動信号（Ｓ）を、半ハニング・フィルタがピストンの上死点位置前の振動信号に対して作用し、指数フィルタがピストンの上死点位置後の振動信号に対して作用するフィルタ（６）中で濾過し、続いてこの濾過した振動信号（Ｕ）を、振動と圧力の間の関係に基づいて圧力信号（Ｐ）へ変換することを特徴とする方法。
2. 指数フィルタが、ハニング・フィルタよりも長い時間窓（Ｔ_E）を形成し、振動信号の処理が、ハニング・フィルタにおけるよりも指数フィルタにおける方が長くなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ハニング・フィルタの時間窓（Ｔ_H）の長さが、指数フィルタの時間窓（Ｔ_E）の長さの約１０〜２０％に達し、約１５％に達することが有利であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. フィルタ（６）において、ハニング・フィルタの前では、振動信号に値ゼロを与えることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法。
5. フィルタ（６）によって、ピストン上死点位置前の時間窓（Ｔ₀＋Ｔ_H）のサイズが、ピストン上死点位置後の時間窓（Ｔ_E）のサイズと等しくなることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 振動と圧力の間の関係を測定するステップが、フィルタ区域のそれぞれの側にある２つの半ハニング・フィルタを備えるフィルタ中で、実際の圧力を表す圧力信号をピストンの上死点位置付近で濾過するステップを含み、このフィルタ区域が、圧力信号と振動信号の間の関係を確立する前に、２つの半ハニング・フィルタ間に均一な水準をもたらすことを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 振動信号（Ｓ）に基づくそれぞれの圧力測定が、特定の動作状況に関する伝達関数（ＴＦ）を使用するステップを含むことを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 振動信号（Ｓ）に基づくそれぞれの圧力測定が、特定の動作状況に関する多変量解析（ＭＶＤＡ）によって確立される関係を使用するステップを含むことを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
9. 内燃エンジンのシリンダ内の圧力を測定する装置であって、シリンダのピストンがシリンダ内で移動し、少なくとも１本のシリンダに、ピストンの移動時に発生する振動を検出するために、エンジンに取り付けた少なくとも１個の振動センサ（４）が関連付けられ、入手した振動信号を濾過するためのフィルタ（６）と、フィルタの後に配置され、振動と圧力の間の関係に基づいて、濾過された振動信号をシリンダ内の圧力を表す圧力信号へ変換するモジュール（７）とが存在する装置が、フィルタ（６）は、圧縮から膨張へ移行する時点でのピストン上死点位置付近の領域における振動信号（Ｓ）に対して作用するように配置されること、およびフィルタ（６）は、一部がピストン上死点位置前の振動信号に作用する半ハニング・フィルタを備え、一部がピストン上死点位置後の振動信号に対して作用する指数フィルタを備えることを特徴とする装置。
10. 指数フィルタが、ハニング・フィルタよりも長い時間窓（Ｔ_E）を形成することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. ハニング・フィルタの時間窓（Ｔ_H）の長さが、指数フィルタの時間窓（Ｔ_E）の長さの約１０〜２０％に達し、約１５％に達することが有利であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. フィルタ（６）が、半ハニング・フィルタの前に配置され、かつ振動信号（Ｓ）に値ゼロを与える区域（Ｔ₀）を含むことを特徴とする、請求項９から請求項１１までのいずれか一項に記載の装置。
13. ピストン上死点位置前のフィルタ（６）の時間窓（Ｔ₀＋Ｔ_H）のサイズが、ピストン上死点位置後の時間窓（Ｔ_E）のサイズに等しいことを特徴とする、請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載の装置。
14. クランクシャフト角において、フィルタ（６）が、ピストン上死点位置のそれぞれの側で約６０°を対象として含むことを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 少なくとも１個の振動センサ（４）が、エンジンの一部を形成してエンジンのシリンダ・ヘッド（３）を固定するボルト上に装着されることを特徴とする、請求項９から請求項１４までのいずれか一項に記載の装置。