JP2008057531A - 内燃機関の燃焼状態の指標をリアルタイムで求める方法 - Google Patents

内燃機関の燃焼状態の指標をリアルタイムで求める方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の燃焼の進展に関する指標をリアルタイムで求める。
【解決手段】Ｎ個の第１のサンプルからなる第１のシーケンスを、所定の周波数帯域でフィルタリングし、離散的フーリエ変換を行うことによって、第１のシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求め、次に、新しいサンプルｎN+1ごとに、第１のシーケンスから第１のサンプルｎ1を除き新しいサンプルｎN+1を含むサンプルからなる、Ｎ個のサンプルの新しいシーケンスを構成し、新しいシーケンスをフィルタリングし、循環シフト特性を適用した離散的フーリエ変換を行うことによって、新しいシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求め、求められたスペクトル成分から燃焼状態の指標を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、１つまたは２つ以上の検出器を備えた内燃機関の燃焼状態の指標をリアルタイムで求める方法に関する。
本発明によれば、燃焼状態の指標を求めることは、この方法で得られる指標の変化に応じて機関パラメータを修正することで、内燃機関の燃焼制御の一環として用いることができる。
排出量削減基準のために、追加的なアクチュエータ（排気ガス再循環弁、直接電子噴射、形状可変タービン）や新しい燃焼モード（均質ディーゼル燃焼または層状化ガソリン燃焼）の導入などの内燃機関技術がしだいに採用されるようになっている。このような状況で、内燃機関は、現代のオートメーション技術による管理を必要とする複雑なシステムの組立体となっている。内燃機関の制御機能の本質は、環境面の制約に従いつつ内燃機関の性能を保証するように、利用可能なアクチュエータを管理することにある。内燃機関制御の基本的な局面は、シリンダ内の熱力学的条件（温度、過給圧、吸気混合物の組成）及び噴射パラメータの調整を正確に管理することを通した燃焼制御にある。
均質ディーゼル燃焼のような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）よりずっと汚染の程度が低いが、このようなモードは一方では、作動条件の影響をずっと受けやすい。従って、このようなモードは、制御に関して追加的な投資を必要とする。ループ燃焼制御は、燃焼の進展に関する情報が得られ、かつ利用可能なアクチュエータを通してこの情報に影響を及ぼすことができる場合にのみ可能である。この情報（指標）は、特定の検出器で燃焼室内の圧力を直接測定することによって得ることができる。この方法は、燃焼の物理的指標を直接入手することを可能にするが、この種の検出器の寿命及びコストのために、まだ車両において標準的なものとはいえない。現在のところ、非侵入的な測定によって燃焼状態の指標を求めるなど、他の技術を指向する方が現実的である。以下に従来の方法についてまとめる。
イオン化電流(courant d'ionisation, ionixation current)の解釈：この原理は、燃焼中に発生するイオン化電流を測定することにある。燃焼中に、ある化学反応によってイオンが放出される。イオンの生成は、シリンダ内の温度及び圧力条件に影響される。イオンを検出するため、プラグには常時低振幅電圧が供給される。イオン化電流は、燃焼の連続的な諸段階、すなわち、点火段階、火炎面伝播段階、ならびに反応終了時の圧力及び温度の変化に関連する段階に関する情報を含む。エリクソン及びニールセンは、例えば非特許文献１において、イオン化電流を解釈することによってサイクル中の最大圧力及びその根拠(argument)を識別できることを示している。
クランクシャフトの瞬間回転速度の分析：速度がクランクシャフトの一端に取り付けられたエンコーダによって測定される。シリンダ圧力は、モデルが公知である機関の運動チェーンを反転させることによって再現される。例えば、非特許文献２を参照することができる。
機関の振動測定からの再現：内燃機関の振動は、加速度計と呼ばれる検出器または機関に取り付けられたノック検出器によって測定することができる。加速度計は、所与の基準システムにおいて、加速度計が固定された本体（またはその構成部材の１つ）の加速度を測定し、その結果得られる衝撃及び振動を調べることを可能にする検出器であることが想起されよう。加速度計から燃焼状態に関する整合的な指標を抽出することは、供給される信号の性質のために困難である。実際、機関の振動応答は噴射ノズルのチャタリング、上死点へのピストンの戻りストローク、分配システムによって引き起こされる振動などの他の事象によっても引き起こされるため、この信号は燃焼に関する情報だけを含んでいるわけではない。
加速度計型の検出器を用いてシリンダ圧力を求めることは公知の技術である。例えば、加速度計から供給される信号からシリンダ圧力を求めることについて、非特許文献３〜５を挙げることができる。
ドゥー等は、デコンボリューションまたは逆フィルタを伴う信号処理技術を用いて、シリンダ圧力を求める問題に対処している。ドゥー等は、シリンダ圧力の変化と生成される振動信号との間の非線形伝達関数の近似を行うニューラルネットワークの能力を示している。ジョンソンは、加速度計から供給された信号が機関の速度信号と組み合わされ、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圧力信号及び燃焼状態の指標が再現される同様な方法を用いている。
加速度検出器を用いて機関の燃焼を制御する他の方法も公知である。
特許文献１には、加速度計から供給される信号によって燃焼を制御する方法及びシステムが記載されている。測定された信号は帯域化処理される（燃焼の発生周期）。この信号は次に、各制御ループの間に処理され、基準信号と比較され、燃焼状態の指標に施されるべき変更点が求められる。加速度計からの信号の処理は、３つの主要な段階、すなわち調整、フィルタリング、及び積分を含んでいる。
特許文献２には、内燃機関の振動から得られる加速度信号を処理する方法が記載されている。特に、信号はスペクトルフィルタによってフィルタリングされ、実験的データベースから同定される伝達関数のデコンボリューションによって燃焼分析曲線が再現される。この結果、燃焼制御を可能にする燃焼状態の指標が定められる。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、及び過給圧に依存する多項式から求められる。
特許文献３には、振動から得られる加速度信号を処理してディーゼル機関の燃焼を制御する方法が記載されている。特に、信号は２つの異なる周波数帯域でフィルタリングされる。第１の周波数帯域［１０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ］は、しきい値化装置によって噴射に関連する成分を抽出することを可能にする。第２の周波数帯域［０．５ｋＨｚ、４ｋＨｚ］は、同一のしきい値化方法を用いて燃焼によって生成される信号成分を抽出することを可能にする。
特許文献４には、提供される方法と同様に、燃焼状態の指標を推測的に見出すことを可能にするウェーブレット変換を用いる方法が記載されている。
特許文献５には、ノック信号の処理方法が記載されている。この方法の本質は、取得サンプリング周波数を内燃機関速度に合わせることにある。対象周波数についての様々なサンプリング値の群に関してフーリエ変換が行われる。燃焼に関する情報は、フーリエ変換結果の和から得られる。
フーリエ変換は、機関の診断及び制御に関連する加速度データの処理を含む多くの分野で広く使用されている。最近の文献の例として、このようなツールを用いて燃焼失火を検出することが記載された特許文献６、またはフーリエ変換を用いて機関のノック検出を行うことが記載された特許文献７，８がある。これらの特許文献は、加速度信号の帯域化処理、すなわちバンドパスフィルタリングを用いている（例えば、特許文献９）。これをディーゼルまたはガソリン機関の制御に用いることも、例えば特許文献１０から公知である。
前処理後、フーリエ変換を、専門家には公知の高速アルゴリズムである高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の形で使用し、すべてのサンプルに対して計算することができ、次に、このように算出されたフーリエスペクトルの成分の振幅またはエネルギー、及び場合によっては振幅またはエネルギーの積分値を含む計算によって指標が得られる（特許文献９）。
特許文献２に記載された他の方法は、フィルタリングされた加速度信号を積分した後に、フーリエ変換の変形であるスペクトルデコンポジション（いくつかのＦＦＴを含む）を用いて、ＳｏＣ（燃焼の開始）と呼ばれるパラメータを抽出する。後者ではまず、得られた様々なサイクルの平均値が算出される。スペクトルデコンポジションを用いて加速度信号から圧力信号を再現する他の例は、特許文献１１に示されている。
上述の手法による指標を内燃機関の診断及び制御に関連する用途に直接用いることはできない。これらの方法は、加速度計から供給される信号の時間積分に基づく方法である。加速度計からの信号の処理はリアルタイムでは実行されない。さらに、これらの方法は、燃焼の性質及び／または用いられる検出器の技術に大きく依存する。従って、これらの方法の適用分野は限定される。
欧州特許第１１１６９４６号明細書 米国特許出願公開第２００４／２６７４３０号明細書（国際公開第０５／００１２６３号パンフレット） 独国特許第１９５３６１１０号明細書（仏国特許第２７３９４１４号明細書） 米国特許第６５４６３２８号明細書 仏国特許第２８３４７８９号明細書 米国特許第６３８８４４４号明細書 米国特許第６４５６９２７号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１６２６６８号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８５１１９号明細書 米国特許第６９７６９３６号明細書 米国特許第６４０８８１９号明細書 Ｌ．エリクソン,「点火進展モデルと制御(Spark advance modeling and control)」，スウェーデン，リンケーピン(Linkoping)大学博士論文，１９９９年 Ｓ．Ｊ．シトロン，Ｊ．Ｅ．オヒギンス，Ｌ．Ｙ．チェン，「速度の変化を利用したシリンダ毎の機関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 Paper，１９８９年，第８９０４８６号 Ｙ．ガオ，Ｒ．Ｂ．ランドール(Randall)，「時間領域の平滑化技術を用いたディーゼル機関のシリンダ圧力の再構築(Reconstruction of Diesel engine cylinder pressure using a time domain smoothing technique)」，機械システム及び信号処理(Mechanical Systems and Signal Processing)，１９９９年，第１３巻，第５号，ｐ．７０９−７２２ Ｈ．ドゥー，Ｌ．ツァン，Ｘ．シー，「複合ラジアルベース機能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構築(Reconstructing cylinder pressure from vibration signals based on radial basis function networks)」，機械工学学会論文集(Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers)，２００１年，パートＤ２１５，ｐ．７６１−７６７ Ｒ．ジョンソン，「複合ラジアルベース機能ネットワークに基づく振動及び速度信号からのシリンダ圧力の再構築(Cylinder pressure reconstruction based on complex radial basis function networks from vibration and speed signals)」，機械システム及び信号処理(Mechanical Systems and Signal Processing)，２００６年
上述の手法による指標を内燃機関の診断及び制御に関連する用途に直接用いることはできない。これらの方法は、加速度計から供給される信号の時間積分に基づく方法である。加速度計からの信号の処理はリアルタイムでは実行されない。さらに、これらの方法は、燃焼の性質及び／または用いられる検出器の技術に大きく依存する。従って、これらの方法の適用分野は限定される。
本発明は、内燃機関の燃焼状態の指標を求める方法であって、燃焼現象と相関する信号が一連のサンプルの形で得られる方法に関する。この方法では、燃焼と相関する周波数帯域が、信号の時間−周波数分析を行うことによって求められ、周波数帯域に属するｋ個の周波数が選択される。この方法は、以下の段階、すなわち、
ａ）Ｎ個の第１のサンプル［ｎ1，・・・，ｎN］からなる第１のシーケンスを取得した後、
第１のシーケンスを、バンドパスフィルタを用いて前記周波数帯域でフィルタリングし、
フィルタリングされた該第１のシーケンスの離散的フーリエ変換を行うことによって、フィルタリングされた前記第１のシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求める段階と、
ｂ）次に、新しいサンプルｎN+1ごとに、前記第１のシーケンスから第１のサンプルｎ1を除き前記新しいサンプルｎN+1を含むサンプルからなる、Ｎ個のサンプル［ｎ2，・・・，ｎN+1］の新しいシーケンスを構成し、
前記新しいシーケンスを、再帰バンドパスフィルタを用いて前記周波数帯域でフィルタリングし、
前記フーリエ変換の循環シフト特性を適用して計算される、フィルタリングされた前記新しいシーケンスの離散的フーリエ変換を行うことによって、フィルタリングされた前記新しいシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求める段階と、
ｃ）求められた前記スペクトル成分から燃焼状態の指標を求める段階と、
を有している。
この方法によれば、燃焼状態の指標は、
ｐ個の前記シーケンスを得た後に、
前記各シーケンスについて、前記スペクトル成分を組み合わせた値を定める段階と、
ｐ個の前記シーケンスの前記スペクトル成分を組み合わせたｐ個の前記値の極値を求める段階と、
前記極値から前記燃焼状態の指標を求める段階と、
によって求めることができる。
この場合、シーケンスのスペクトル成分のエネルギー和をスペクトル成分の組み合わせ値として用いることができる。
本発明によれば、信号は時間の関数またはクランク角度の関数として得ることができ、一般に、選択される周波数の数ｋは１から１０の間の範囲にある。この方法では、様々な種類の信号、すなわち、
−内燃機関に配置された振動検出器によって得られる振動信号、
−内燃機関に配置された圧力検出器によって得られる内燃機関のシリンダ内の圧力、
−イオン化電流信号
を用いることができる。
燃焼状態の指標は、以下の現象、すなわち、燃焼フェーズに関連する振動現象の開始、燃焼フェーズに関連する振動現象の終了、振動現象のエネルギー重心、及び振動現象の大きさのうちの少なくとも１つを表すことができる。
最後に、内燃機関の燃焼は、これらの燃焼状態の指標に従って機関パラメータを修正することによって制御することができる。
本発明による方法は、どのような検出器技術が用いられていても、あるいは燃焼の性質がどのようなものであっても、１つまたは２つ以上の検出器を備えた内燃機関の燃焼の進展に関する指標をリアルタイムで求めることを可能にする。
本発明による方法を、特定の実施形態、すなわち振動成分を含む信号の処理に関連して説明する。この特定の実施形態では、本方法は、機関燃焼モード（ディーゼル、ディーゼルＬＴＣ［低温燃焼］またはＨＣＣＩ［均質給気圧縮点火］、ガソリン、層状モードで用いられるガソリン、ＣＡＩ［制御された自動点火］）及び用いられる検出器の技術に関連する特定の特徴を統合せずに、単一のシリンダに適用される。内燃機関の性質及び用いられる検出器の技術は、供給される信号が振動成分を含む限り、この方法の原理に影響しない。
この方法は、検出器から供給され時間またはクランク角度に応じて得られる信号から、内燃機関の燃焼を制御することを可能にする。この信号の周波数成分の一部は、振動を発生させ、得られた信号中に振動成分を誘起する燃焼現象の際のシリンダ内の圧力変動に関連する。この方法は、燃焼に関連する周波数成分の振幅増加をリアルタイムで検出することを可能にする。この周波数成分をバンドパスフィルタリングによって分離し、時間−周波数表示を用いて分析して、分析された振動現象を通して燃焼の進展に関する情報を知ることができる。
この時間−周波数分析をリアルタイムで実行できるように、この方法は、対象周波数帯域に属するごく限られた数の離散化周波数しか考慮していない。この方法は、時間またはクランク角度に応じた信号のスペクトル成分を求めるために、離散的フーリエ変換及びその循環シフト特性(decalage circulaire, circular shift property)を用いている。この時間−周波数分析によって、時間またはクランク角度と共に変化するスペクトル成分の特徴的な分布が得られる。この分布形を利用して燃焼の進展を規定する指標を抽出することができる。
この方法は、この方法から得られる指標の変化に従って内燃機関のパラメータを修正し燃焼を記述することによって、内燃機関制御の一環として適用することができる。
図１は、本発明によるループ燃焼制御方法の一般的な原理を示している。（例えば、工業用または計測用の圧力検出器、加速度検出器、またはイオン電流検出器からの）振動成分を含む信号ｘは、時間ｘ（ｔ）またはクランク角度ｘ（α）の関数として得られる。この信号は、周波数が燃焼現象中の燃焼室内の圧力勾配変化に関連する振動成分を含んでいる。この方法の本質は、時間またはクランク角度に応じたこれらの周波数のスペクトル成分の変化をリアルタイムで分析することにある。このようなスペクトル成分の分布は、燃焼の制御に用いられる指標をリアルタイムで抽出することを可能にする。この方法は、以下の５つの主要な段階に分けることができる。
予備段階
段階１−燃焼現象に関連する周波数帯域の同定
リアルタイムで行われる各段階
段階２−検出器（Ａ）からの、時間またはクランク角度に応じた信号ｘの取得
段階３−１つまたは２つ以上の対象周波数帯域の分離及びスペクトル成分の決定
段階４−スペクトル成分の変化による燃焼状態の指標（ＣＲＯＰ）の決定
段階５−内燃機関制御：燃焼制御（ＣＴＲＬ）に関する機関パラメータの調整
（段階１：燃焼現象に関連する周波数帯域の同定）
シリンダ内の圧力勾配変化によって特徴付けられる燃焼現象はブロックに伝えられ、例えば加速度計などの検出器によって記録可能な振動を発生させる。燃焼現象に関連する、記録される振動の周波数成分は、燃焼室の形状や燃焼タイプなどのいくつかのパラメータに依存するが、一般に３００００Ｈｚより低い周波数帯域内にある。
加速度計から供給される振動信号は、波動現象が重畳した信号である。このような現象の例には、燃焼、噴射ノズル、ピストン戻りストローク、またはノイズがある。これらの様々な現象を分離するために、振動成分を含む信号に含まれる情報を二次元表現で視覚化することを可能にする時間−周波数分析が行われる。この二次元は一方では時間またはクランク角度であり、他方では時間またはクランク角度の双対変数であり、これは周波数、すなわち時間またはクランク角度の逆数である。この時間−周波数表現の利点は、その周波数成分とその時系列(chronologie, chronology)から事象を識別するのが可能になることである。
この方法によれば、振動成分を含む信号、例えば振動信号が以上のようにして取得され、時間−周波数分析が行われて、燃焼現象と相関する周波数帯域が正確に見つけられる。
実際には、いくつかの種類の時間−周波数表現を用いて振動信号を調べることができる。時間（またはクランク角度）軸に沿ってウインドーをずらしながらフーリエ変換を行うことによって信号を分析するスペクトログラム型の表現を挙げることができる。これによって、時間またはクランク角度の関数としての、信号のスペクトル成分の変化が得られる。この成分の変化は、スペクトル成分の係数が表現された図によって視覚化される。一つの軸は時間（またはクランク角度）であり、他の軸は双対変数、すなわち周波数である。
一つの方法によって、基準信号及び本発明で用いられる振動信号を分析することが可能になる。検討される信号上でも観測することのできる基準信号振動が見つけられる。これは、機関の知識に応じて、例えばいくつかの機関速度や負荷における燃焼現象を表す１つまたは２つ以上の信号について行われる。この振動信号の分析作業の後、基準信号（例えば、適切な検出器によって得られる燃焼室内の圧力信号）と検討される得られた信号（例えば、振動信号）との間で、検討される時間−周波数表現に従って、内燃機関の物理的パラメータの知識（特に燃焼室の寸法及び検討される内燃機関の動作温度範囲）をジョイント分析と組み合わせることによって、この燃焼に関連する周波数成分が求められる。
（段階２：時間またはクランク角度に応じた振動成分を含む信号の取得）
この段階及び以後のすべての段階はリアルタイムで行われる。この方法の第１のリアルタイムフェーズは、検出器（例えば、エンジンブロックまたはシリンダヘッド上に配置された加速度計）によって振動成分を含む信号を記録することにある。検出器技術はそれほど重要ではない。しかし、記録すべき振動成分を含む信号に検出器が適していること、すなわち、検出器が所望の周波数成分を含む帯域を有しており、かつ信号を乱す大きな歪がないことを確認しておく必要がある。
２つの量を記録する必要がある。第１の量は、検出器から供給される信号であり、第２の量は、角度エンコーダによって得られる、時間の関数としてのクランク角度の値である。
次に、時間の関数としてサンプリングを行うか、あるいはクランク角度の関数としてサンプリングを行うかを決定する。本方法は、時間またはクランク角度のいずれであっても作動することができるが、最終的に角度デイティングdatation, dating)、すなわち、本方法によって与えられる指標の一部を角度値に変換するために、どちらの場合でもクランク角度を得る必要がある。得られた角度値は、絶対的な態様で、または１）前の燃焼サイクル中に得られた指標に対する相対的な態様、若しくは２）マッピングに対する相対的な態様で、制御に用いられる。そのいくつか（例えば、噴射ノズル開口や、排気弁または吸気弁の作動）が角度値によって規定される機関パラメータを修正することによって、角度値はループ燃焼制御に用いられる。
（段階３：対象周波数帯域の分離及びスペクトル成分の判定）
信号はサンプルごとに処理され、本方法のリアルタイム機能が確実に実現される。この段階は、順次行われる２つのフェーズ、すなわち信号フィルタリングと時間−周波数分析とに分かれる。
（信号フィルタリング）
第１のフェーズの本質は、対象周波数帯域、特に燃焼現象に関連する振動成分を分離することにある。従って、再帰バンドパスフィルタが用いられる。バンドパスフィルタは主として、そのカットオフ周波数と次数とによって特徴付けられる。リアルタイムのバンドパスフィルタリングを実現するために、フィルタは時間領域または角度領域で適用される。以下の差分方程式が用いられる。
Figure 2008057531
ここで、ｘ(n)はサンプルｎの入力信号、ｙ(n)はサンプルｎのフィルタ出力信号、ａ（１，・・・，ｎｂ）はフィルタの極部、ｂ（１，・・・，ｎｂ）はフィルタの零部である。
このフィルタリングタイプの詳細な説明は、オッペンハイム、シェーファー著「離散化時間信号処理(Discrete-Time signal processing)」（１９８９年）に記載されている。
一例として、カットオフ周波数が５００Ｈｚと２５００Ｈｚの４次バタワース型フィルタを用いることができる。このような線形フィルタは、所望の帯域でほぼ一定の利得を有する。
線形フィルタに加えて、または線形フィルタの代わりに、メディアンフィルタリングのような、ある種のノイズに対する耐性がより高い非線形再帰フィルタを用いることも可能である。このフィルタは、Ｔ．ノーズ(Nodes)及びＮ．ギャラガー(Gallagher)著「メディアンフィルタ：いくつかの修正とその特性(Some modifications and their properties), IEEE Transactions on Accoustics, Speech and Signal Processing，１９８２年，第30巻，第５号，ｐ．７３９−７４６、及びその一般化として、シュムレビッチ(Shmulevich)他著「再帰スタックフィルタの出力分布(Output distributions of recursive stack filters)」，Signal Processing letters，１９９９年７月，第6巻，第７号，Ｐ．１７５−１７８に記載されている。
（時間−周波数分析）
この段階の第２のフェーズは、時間またはクランク角度に応じたスペクトル成分の変化に追従するように、フィルタリングされた信号の時間−周波数分析を行うことにある。この方法によれば、段階１で使用された方法とは異なり、それほど大量の計算を必要とせずに時間−周波数分析が行われる。実際には、検討される燃焼現象に関連する周波数帯域に属する非常に限定された数の離散化周波数（通常１〜１０）のスペクトル成分の変化が追跡される。
この方法で用いられる時間−周波数分析は、周波数ｋ、サンプル数Ｎの時間シーケンスまたは角度シーケンスについて、以下の関係式によってスペクトル成分Ｘ(k)を与える離散的フーリエ変換に基づき行われる。
Figure 2008057531
時間−周波数分析を行う場合、信号分析ウインドー（すなわち、Ｎ個のサンプル）をあるサンプル数だけシフトし、新しい離散的フーリエ変換を行う必要がある。これによって、（時間領域または角度領域の）検討対象サンプルの関数として、スペクトル成分の変化が得られる。
この技術をリアルタイムで用いるために、サンプルが得られたときに分析が行われる。これは、離散的フーリエ変換の特性の１つである循環シフト特性を利用して行われる。この特性によれば、サンプルのシーケンスの離散的フーリエ変換がＸ(k)である場合、同じシーケンスの１サンプル分シフトされたときの離散的フーリエ変換はＸ(k)ｅ2iπk/Nである。
従って、Ｎ個のサンプル［ｎ1，・・・，ｎN］のシーケンスについて算出されたスペクトル成分から、以下の差分方程式によって、次のシーケンス［ｎ2，・・・，ｎN+1］のスペクトル成分を求めることができる。
Figure 2008057531
ここで、Ｘk(n)は、スペクトル成分の新しい評価値、Ｘk(n-1)は、スペクトル成分の前の評価値、ｘ(n-N)はＸk(n-1)を計算するために用いられるシーケンスの第１のサンプルである。
ｘ(n)は、分析すべき新しいシーケンスの最後のサンプルであり、これは、得られたばかりのサンプル、すなわち、前のフェーズでフィルタリングされた新しいシーケンスの最後のサンプルである。
数式（３）に関する詳細については、ジェイコブソン(Jacobson) Ｅ．及びリオンス・リチャード(Lyons Richard)，「ずらしＤＦＴ(The sliding DFT)」，２００３年３月，IEEE 信号処理(Signal Processing Magazine)，ｐ．７４−８０を参照することができる。
実際には、数式（２）によってスペクトル成分の第１の評価値を得るにはＮ個の第１のサンプルが得られるのを待つ必要があり、その後、数式（３）によってサンプル毎にスペクトル成分の評価が行われる。
離散化周波数の数は少ない。離散化周波数の数は、燃焼に関連する周波数帯域と、信号のサンプリング周波数と、検討される分析ウインドーの数Ｎとによって決まる。ウインドーサイズは、時間−周波数分析の解像度(resolution)を左右する。一般的に言えば、振動信号を適切に分析するには１〜３個の離散化周波数が必要である。
この段階の１つの利点は、再帰公式がフィルタリング及び時間−周波数分析に用いられるために、振動信号のフィルタリング及び時間−周波数分析が同じループ内で行われることである。
いくつかの離散化周波数が選択された場合、これらの離散化周波数のスペクトル成分の値を適切に組み合わせることによって、時間−周波数分析から得られた情報を合成することが有利となる場合がある。一例として、これらの成分の二乗に係数を加えることができる。この加算は、スペクトル成分のエネルギー和を表す。各分析ウインドーについて、このエネルギー和は選択された周波数に特有の値である。非制限的な例として、以下では、スペクトル成分のエネルギー和による情報の合成について説明する。
（段階４：スペクトル成分の変化による燃焼状態の指標の決定）
このようにして、新しいサンプルが得られるたびに、スペクトル成分のエネルギー和が算出される。ｐ個のサンプルが得られた後に、スペクトル成分のエネルギー和の分布曲線と呼ばれる、ｐ個の値を有する曲線が得られる。この分布は、所定のシリンダの燃焼現象を含むウインドーに対して評価される。このウインドーのサイズは、定義上、機関の１サイクルの継続時間より小さい。言い換えれば、得られたサンプルの数ｐは、機関の１サイクル中の燃焼状態の指標を求めることを可能にするウインドーを定める。
時間またはクランク角度の関数としての、スペクトル成分のエネルギー和の分布は、特有の様相を呈する。つまり、このエネルギーの増加とそれに続く減少は燃焼現象と相関している。燃焼状態の指標の抽出方法は、図２でＭで示されているスペクトル成分のエネルギー和の最大値を求めることに基づく。図２は、クランク角度（α）の関数としてのスペクトル成分の（規準化された）エネルギー和の分布（ＥＮ）を示している。この最大値が識別されると、以下の４つの指標が抽出される。
・ｓＣＲＯＰ（燃焼関連振動現象の開始）と呼ばれる、燃焼フェーズに関連する振動現象の開始
・ｅＣＲＯＰ（燃焼関連振動現象の終了）と呼ばれる、燃焼フェーズに関連する振動現象の終了
・ｂＣＲＯＰ（燃焼関連振動現象の重心）と呼ばれる、振動現象のエネルギー重心
・ｍＣＲＯＰ（燃焼関連振動現象の規模）と呼ばれる、振動現象の大きさ。
ｓＣＲＯＰは、最大値より前にある、スペクトル成分のエネルギー和の最大値（Ｍ）に対するあるしきい値（Ｓ１（％））に対応する時間または角度である。従って、最大値が求められた後、この最大値の一定の割合に達するスペクトル成分の和を時間デイティングまたは角度デイティングによって求め、パラメータｓＣＲＯＰを設定する。
ｅＣＲＯＰは、最大値より後の、スペクトル成分のエネルギー和の最大値（Ｍ）に対するあるしきい値（Ｓ２（％））に対応する時間または角度である。従って、最大値が求められた後、この最大値の一定の割合に達するスペクトル成分の和を時間デイティングまたは角度デイティングによって求め、パラメータｅＣＲＯＰを設定する。
ｂＣＲＯＰは、ｓＣＲＯＰ及びｅＣＲＯＰによって設定される範囲に含まれ、以下の関係式に従って曲線ＥＮ（エネルギー分布）の重心位置に対応する時間または角度である。
Figure 2008057531
ここで、energy(n)はスペクトル成分のエネルギー和、dat(n)は時間デイティングまたは角度デイティングである。
ｍＣＲＯＰは、ｓＣＲＯＰとｅＣＲＯＰの間のスペクトル成分のエネルギー和から算出されるエネルギー値である。
この実施例では、スペクトル成分のエネルギー和による情報合成に関して説明した。従って、このエネルギー曲線の最大値である極大値を求めた。しかし、本発明の範囲から逸脱せずに、スペクトル成分の異なる組み合わせを選択することによって最小値を識別して燃焼状態の指標を求めることができる。本発明の利点は、曲線上の目立つ点を選択し、ノイズに対し低感度の指標を求めることが可能となることである。
（段階５：燃焼制御に関する機関パラメータの調整）
特にこの４つの燃焼状態の指標の組み合わせに基づいて閉ループ制御方式を実現することができる。このような方式は、シリンダの作動ドリフトを識別することを可能にし、適切な補正処置を実行してこのような作動ドリフトを制御することができる。多シリンダ機関を制御する問題は、コントローラがマッピングに基づいて解決できないシリンダ間のアンバランスに関連する問題であることが少なくない。実際には、考えられる変動を考慮せずに各シリンダごとにベースマッピングが適用されている。閉ループ制御は、各シリンダ内の燃焼に適した追加的な補正項目を与える。シリンダ間のドリフトは、
−燃焼ガスの質量の不適切な分布
−シリンダ間の熱のばらつき
−アクチュエータのドリフトによるパイロット噴射の不良
など、様々な原因で起こる可能性がある。
前述の現象は、燃焼効率とノイズ及び振動に関する快適性の両方を変更する１組のベクトルを形成する。燃焼の変動によって燃焼プロファイルが変更されることがあり、この場合、噴射マッピングに含まれる調整値が役に立たなくなることに留意されたい。燃焼状態の指標は、燃料特性の変動またはシリンダ間のアンバランスを補償するために用いられる。
例として、燃焼状態の指標を使用した２つの制御方式を以下に示す。
ノイズ抑制システム：燃焼によって発生するノイズは、あるしきい値を超えると車両運転時の快適性に影響を与え、ある環境基準を満たす必要がある。例えば、パイロット噴射中に導入される燃料の質量を調節することは、このノイズに影響を与える。シリンダに再導入される燃焼ガスの質量を変えることによって燃焼開始時間を変更することも可能である。この場合、パラメータｍＣＲＯＰは各シリンダのノイズレベルに関する情報を与え、従って、フィードバック制御を検討する際の理想的なパラメータとなる。
燃焼タイミング調整：燃焼タイミングは、燃焼効率及び放出の最適化のために考慮されるため、極めて重要な要素である。まさにこのケースでは、ｓＣＲＯＰ、ｂＣＲＯＰ、及びｍＣＲＯＰは、燃焼タイミングを表すことから、噴射のリードのループ制御を検討する際の理想的な候補である。
（適用例）
直列４気筒内燃機関に、機関ブロック上に位置する加速度検出器を備えた。プラットフォームによって、オンラインデータ取得及び処理が可能となる。
（対象周波数帯域の判定）
燃焼現象に関連する周波数帯域は、時間−周波数分析によって０ｋＨｚから２ｋＨｚの範囲内で求められる。
（本方法の適用と結果）
この方法は以下のパラメータを用いて適用される。
Figure 2008057531
加速度信号から抽出された指標の妥当性を確認するために、専門家によって基準信号と考えられるシリンダ圧力信号にも本方法を適用した。図３は、内燃機関速度が１５００ｒｐｍの場合の、圧力信号から得られた指標（実線）と、加速度信号から得られた指標（点線）を示している。これらの指標の値（図３のクランク角度の値）は、図３の機関サイクル（Ｃｙ）の関数として与えられる。これらの指標について得られた値は非常に近接しており、従って、圧力検出器が不要になることが分かる。
本発明による方法を、振動信号処理を例にとって示した。シリンダ内で記録される圧力あるいはイオン化電流信号などの、振動成分を有し燃焼現象に関連する他の種類の信号を用いて本方法を実施できることも分かっている。
（本発明の利点）
提供される方法は、コストのかかる計測検出器によるシリンダ圧力の直接的な測定を必要とせずに、１組の燃焼状態の指標をリアルタイムで知ることを可能にする。従って、機関の１サイクルの終了時に燃焼状態の指標が得られ、この指標を用いて、検討対象のシリンダの前サイクルの診断を行い、次に、任意のシリンダについて、次の燃焼の安定性と基準点（例えば、反応開始、燃焼持続時間、ノイズなど）との合致を保証するように、噴射パラメータを（必要に応じて）修正することができる。この方法は、効率的な機関制御に必須の以下の利点をもたらす。
この方法は、得られるデータサンプリングタイプ（角度サンプリング、時間サンプリング）とは無関係である。
この方法は、いかなる燃焼現象周期性仮説に基づくものでもない。従って、判明している燃焼現象のランダムな相も完全に感知可能である。
時間−周波数分析から燃焼状態の指標を抽出する方法は、燃焼現象の最大値を軸に置いた方法である。この方法は、燃焼に焦点を当てた角度ウインドーの全体に渡ってエネルギー積分を行う。従って、この抽出方法は、ノイズの影響をほとんど受けず、基準信号、すなわちシリンダ圧力信号によって得られる指標に極めて類似した燃焼状態の指標が得られる。
提供される方法は、多くのリアルタイム演算を必要とせず、従って、所与のサンプルの周波数のエネルギーを求める時間−周波数分析は四則演算しか必要としないため高速である。
最後に、この方法は簡素であるため、指標が少なく、かつこれらの指標を求めるのが非常に簡単である。
サンプルごとに実施されるこの方法の時間−周波数分析は、（すでに得られている１組のサンプルに対するＦＦＴ演算とは対照的に、）信号のすべての周波数を計算する高速フーリエ変換を用いる従来の方法と違って、限定された数の周波数だけが考慮されるので、必要な演算が少ない。信号の周波数分析が計算時間の観点からコスト高となり、リアルタイム処理に不適切な場合があることを想起できよう。本発明では、提供される方法は正確であると共に高速である。さらに、再帰周波数フィルタリングを、実行される時間−周波数分析の再帰公式に関連付けることができる。従って、この方法は、計算速度及びメモリ量が本質的なパラメータであるリアルタイム環境で非常に有効である。
さらに、本発明による方法は、燃焼特性や用いられる検出器技術に依存しない。調整パラメータは、この方法を様々な機関／検出器の構成にうまく適合させることを可能にする。
本発明によるループ燃焼制御のフローチャートである。 燃焼に関連した時間−周波数現象の最大値の決定に基づく指標の抽出を示す図である。 得られた４つの指標を、圧力信号から抽出された指標を実線で、加速度信号から得られた指標を破線で示す図である。
符号の説明
ｓＣＲＯＰ 燃焼関連振動現象の開始
ｅＣＲＯＰ 燃焼関連振動現象の終了
ｂＣＲＯＰ 燃焼関連振動現象の重心
ｍＣＲＯＰ 燃焼関連振動現象の規模）
α クランク角度
ｐ サンプルの数
ｋ 周波数
Ｎ サンプル数

Claims (11)

  1. 内燃機関の燃焼状態の指標を求める方法であって、燃焼現象と相関する信号が一連のサンプルの形で得られ、前記燃焼と相関する周波数帯域が、前記信号の時間−周波数分析を行うことによって求められ、前記周波数帯域に属するｋ個の周波数が選択される方法において、
    ａ）Ｎ個の第１のサンプル［ｎ1，・・・，ｎN］からなる第１のシーケンスを取得した後、
    前記第１のシーケンスを、バンドパスフィルタを用いて前記周波数帯域でフィルタリングし、
    フィルタリングされた該第１のシーケンスの離散的フーリエ変換を行うことによって、フィルタリングされた前記第１のシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求める段階と、
    ｂ）次に、新しいサンプルｎN+1ごとに、前記第１のシーケンスから第１のサンプルｎ1を除き前記新しいサンプルｎN+1を含むサンプルからなる、Ｎ個のサンプル［ｎ2，・・・，ｎN+1］の新しいシーケンスを構成し、
    前記新しいシーケンスを、再帰バンドパスフィルタを用いて前記周波数帯域でフィルタリングし、
    前記フーリエ変換の循環シフト特性を適用して計算される、フィルタリングされた前記新しいシーケンスの離散的フーリエ変換を行うことによって、フィルタリングされた前記新しいシーケンスの少なくともｋ個のスペクトル成分を求める段階と、
    ｃ）求められた前記スペクトル成分から燃焼状態の指標を求める段階と、
    を行うことを特徴とする方法。
  2. 前記燃焼状態の指標は、
    ｐ個の前記シーケンスを得た後に、
    前記各シーケンスについて、前記スペクトル成分を組み合わせた値を定める段階と、
    ｐ個の前記シーケンスの前記スペクトル成分を組み合わせたｐ個の前記値の極値を求める段階と、
    前記極値から前記燃焼状態の指標を求める段階と、
    によって求められる、請求項１に記載の方法。
  3. 前記スペクトル成分を組み合わせた前記値は、前記各シーケンスの前記スペクトル成分の和に相当する、請求項２に記載の方法。
  4. 前記信号は時間の関数として得られる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記信号はクランク角度の関数として得られる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
  6. 選択される前記周波数の数ｋは１から１０の範囲にある、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記信号は、前記内燃機関に配置された振動検出器によって得られる振動信号である、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記信号は、前記内燃機関に配置された圧力検出器によって得られる、前記内燃機関の前記シリンダ内の圧力である、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記信号は、イオン化電流信号である、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記燃焼状態の指標は、燃焼フェーズに関連する振動現象の開始、該燃焼フェーズに関連する該振動現象の終了、前記振動現象のエネルギー重心、及び前記振動現象の大きさのうちの少なくとも１つを表す、請求項７に記載の方法。
  11. 前記内燃機関の燃焼制御を行うために、前記燃焼状態の指標に従って機関パラメータが修正される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
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