JP2008128244A - 内燃機関の診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態を診断するもう一つの可能性を示す、内燃機関の運転状態の診断方法および装置を提供する。
【解決手段】内燃機関（１）に割り当てられた少なくとも一つのマイクロホン（７）を有し、内燃機関の音、例えば排気ガス装置の騒音が録音されて電気信号に変換される、内燃機関（１）の診断方法において、音を表している電気信号が内燃機関（１）の運転状態の診断のために利用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に割り当てられた少なくとも一つのマイクロホンを有する内燃機関の診断方法、その装置、並びにコンピュータプログラムに関する。

内燃機関の運転状態の診断は、一般にクランクシャフト回転数、様々な圧力及び温度等の様な、様々な物理的パラメータの測定及び評価によって行われている。
ＥＰ ０ ８４０ ２８５ から内燃機関のアクティブな排気音減衰のためのシステムが知られている。その種のシステムは、例えばスピーカーを用いて音響信号を生成し、この音響信号が排気ガス装置によって生成された音に重ね合わされて、この音が補正され或いは“音響設計”の観点から変化される。このシステムの一部が、排気ガス装置によって発生される音（排気騒音）の録音のためのマイクロホンである。

本発明の課題は、内燃機関の運転状態を診断するもう一つの可能性を示すことである。

課題を解決する手段

本発明によれば、内燃機関に割り当てられた少なくとも一つのマイクロホンを有し、内燃機関の音が録音されて電気信号に変換される、内燃機関の診断方法において、音を表している電気信号が内燃機関の運転状態の診断のために利用される。

運転状態の診断には、内燃機関の個々の部品或いはコンポーネントの損傷の検知並びに内燃機関の実状態が基準状態に対応しているか否か、例えばシリンダカットオフが正確に行われているか否か、噴射時期及び噴射時間長さ、点火時期等のパラメータが基準値に対応しているか否か、ということについての監視が含まれている。この内燃機関は、好ましくは自動車に搭載されている。マイクロホンは、好ましくは排気ガス装置に割り当てられている。このマイクロホンは、好ましくは排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うための装置の一部とする。運転状態の診断は、好ましくは排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うための装置の制御装置によって準備されたマイクロホンの生データを用いて行われる。しかしながら、このマイクロホンは又エンジン或いは車両の別の場所に、好ましくは、監視されている内燃機関の近くに、配置されることもできる。データの準備は、デジタル化および／またはろ波および／または周波数領域への変換を含むことができる。

好ましくは、運転状態の診断は、排気ガス装置の音を表している電気信号と期待された電気信号との比較によって行われ、その際、期待された電気信号からの排気ガス設備の音を表している電気信号のずれが限界値よりも大きい場合に、内燃機関の運転状態が基準状態からずれていることが判定される。内燃機関の運転状態の診断には、好ましくはミスファイヤの検知が含まれている。ミスファイヤは、好ましくは、一定の時間間隔の間の排気ガスの脈動の振幅が期待される最小振幅よりも小さい時に、検知される。別の好ましい実施例では内燃機関の運転状態の診断に給排気弁の開閉の監視が含まれている。内燃機関の運転状態の診断には、好ましくは、少なくとも一つのシリンダのシリンダカットオフの間におけるこのシリンダの給排気弁の閉弁の監視が含まれている。好ましくは、一定の時間間隔の間の排気ガスの脈動の振幅が期待される最大振幅よりも大きい時に、シリンダのシリンダカットオフの間における給排気弁の開弁エラーが検知される。

好ましくは、前記の電気信号から信号を表している騒音モデルが生成され、このモデルが、定められたエラーに関する特徴的な騒音モデルと比較され、その際信号を表している騒音モデルと特徴的な騒音モデルとの間の一致度を表す尺度が求められ、又その際その尺度が許容範囲を外れている時にその特徴的な騒音モデルに割り当てられているエラーが検知される。信号を表している騒音モデルと特徴的な騒音モデルを表している尺度との間の一致度は、例えば二つの騒音モデルの相関関係或いは比較可能な統計的大きさとすることができる。

前記の騒音モデルは、好ましくは積分変換、とりわけフーリエ変換、の周波数領域内での前記電気信号のスペクトルとする。
冒頭に述べられた問題はまた、発明の方法の実施のために作られている装置、とりわけ内燃機関のための制御装置によっても解決される。

冒頭に述べられた問題はまた、プログラムがコンピュータで実行される時に、発明に基づく方法の全てのステップの実施のためのプログラムコードを備えているコンピュータプログラムによっても解決される。

冒頭に述べられた問題はまた、発明に基づく方法の実施のための、内燃機関の排気ガス設備にアクティブな音響的介入を行うための装置の使用によっても解決される。

以下に本発明の一つの実施例が付属の図面に基づいて詳しく説明される。
図１には、内燃機関の排気ガス装置にアクティブな介入を行うためのシステムの原理図が示されている。その様なシステムの詳細な記載は、例えば、EP ０ ８４０ ２８５、並びにハイル、エンデルレ、ほか著の論文『V６エンジンの例における排気ガス排気口騒音の可変設計』MTZ 10/2001、786−794頁に見られる。内燃機関１は、パイプ１５と消音器３とを含む排気ガス装置とに接続されている。内燃機関とアクティブな音響的介入を行うための制御は、従来技術から知られている制御装置４を用いて行われる。アクティブな音響的介入を行うために制御装置４が信号を生成し、この信号が増幅器５によって必要な出力へ増幅され且つ音響変換器６、好ましくはスピーカーを用いて消音器３へ送込まれる。信号の計算には、内燃機関の運転ポイントを記述するパラメータが用いられる。制御を実現するために排気ガス装置の出力端で得られる音響信号が、マイクロホン７を用いて検出され、電気的値として制御装置４に送り込まれる。排気ガス装置の出力端の音響信号を表しているマイクロホン７の電気的値は、音響変換器６の信号の制御のための制御装置４によって用いられる。制御装置４は、音響信号の制御のために、一般的な意味でいえばコントローラと解釈することのできる計算規則を含んでいる。その目的は、マイクロホン７からの信号を最小化すること（従って、この制御目的は最小の騒音である）か、或いは特定の周波数の望ましい振幅を達成することである（従って、この場合の制御目的は“騒音設計”であり又それによって騒音特性に意図的な影響を与えることである）。このために、コントローラは、運転ポイントに応じて制御装置４に記憶されるパラメータを含んでいる。その際、対応する運転ポイントとしては、例えばエンジン回転数ｎ、エンジン負荷Ｐ、及び点火角度φとすることができる。これ等のパラメータは、前もって固定的に与えておくこともできるし、或いはインタフェースを用いて、制御すべきシステムの可変的なパラメータに適合させることもできる。

本発明に基づいて今や、内燃機関の運転状態を診断するためのアクティブな音響的介入を行うシステムが導入される。アクティブな音響的介入を行うためのこのシステムは、特に内燃機関の個々のシリンダのミスファイヤの監視のために用いられる。その際、制御装置の診断機能の枠組みの中で燃焼のミスファイヤの発生が監視される。これはとりわけ、例えば内燃機関の点火システムの領域内でのエラーによる、一つ又は複数のシリンダにおける燃焼の停止である。更には個々のシリンダの意図的な作動停止、いわゆるシリンダカットオフの監視が可能である。

図２は、本発明に基づくシステムのより詳細なスケッチを示している。内燃機関１は、中間消音器８を含む排気ガスパイプ１５によって終端消音器９と接続されている。図１に示されている様に、終端消音器（マフラー）９にはスピーカーが割り当てられている。終端消音器９の渦流には、図１の実施例の様に排気口１０の吐出騒音の録音のためのマイクロホンが配置されている。信号発生器１１は、エンジン回転数ｎに応じて排気ガス脈動の基本周波数を生成し、そのためにクランクシャフトセンサを同期化のための源として利用することができる。信号発生器１１は更に、基本周波数の望ましい倍数、いわゆる高調波を生成する。これ等の信号は、個別にデジタルフィルタ（ここでは参照記号１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃを与えられた三つの周波数、即ち基本周波数と二つの高調波用として描かれている）によって、増幅と位相位置について影響を受ける。フィルタパラメータは、運転パラメータに応じて制御装置４に記憶される一方、適合アルゴリズムを実行する適合装置１３を通じて、マイクロホン７の信号と、前もって与えて置くことのできる振幅の基準値１４との間のずれが、各々の周波数について最小となるように自動調整される。フィルタ１２ａから１２ｃまでの出力信号は出力増幅器５に送られ、この出力増幅器５が、音響変換器６（これは、例えばスピーカ等とすることができる）を制御する。適合装置１３の適合アルゴリズムは、例えば、最小二乗法を用いて解かれる二次的な制御効果の基準を最小化することができる。

デジタルフィルタ１２ａから１２ｃまでのフィルタパラメータが理想的に適合され且つ基準値１４がゼロに設定されている（これは、排気ガス装置の出口での最小騒音の制御目標に対応している）と、音響変換器の音響信号が個々のシリンダの排気ガス脈動をほとんど完全に補正する。そこでマイクロホン7の出力信号はほとんどゼロとなる。ミスファイヤとしての燃焼の停止は、このシリンダの排気ガス脈動の振幅がはっきりと小さくなるということを意味している。しかしながら、音響変換器６の補正信号はデジタルフィルタ１２ａから１２ｃまでのフィルタパラメータによって完全な燃焼の排気ガス脈動用として定められているので、それ等のフィルタパラメータは、内燃機関の運転ポイントによっても影響を受ける。かくしてマイクロホン７に信号振幅が現れる。今やこの信号は幾つかの既知の方法を用いて評価することができる。一つの方法は、調節可能の閾値をオーバーすることであり、その際にミスファイヤが判定される。ミスファイヤを起こしたシリンダの特定は、内燃機関の排気弁からマイクロホン7への排気ガス脈動の伝達時間の測定によって行われる。この伝達時間は、本質的に排気ガス温度と音の速度に対するその影響とによって定められる。即ち、この伝達時間は運転ポイントと関連付けながら制御装置4の特性マップに記憶されているので、エンジン回転数ｎが分かれば、ミスファイヤを起こしたシリンダを特定することができる。ミスファイヤは、排気ガスの振幅Ａが一定の時間長さΔｔの間に期待される最小振幅Ａ＿ｍｉｎよりも小さい時に検知される。

別の実施態様では、シリンダの一つの、意図的な作動停止の監視のためのシステムが用いられている。このシステムでは、制御装置（エンジン制御装置）によって運転ポイントに応じて個々のシリンダへの燃料供給がカットされる。更に内燃機関の給排気弁（ガス交換弁）が、圧縮行程によるエネルギー消費を減らすために閉じたままに保持される。理想的なケースでは、カットされたシリンダは排気ガス脈動を起こさない。フィルタ１２ａから１２ｃまでのフィルタパラメータは、今やエンジン制御装置によって、制御目標に応じたパラメータに切り換えられる。制御目標が排気ガス騒音を最小にすることとされている場合には、カットされたシリンダについては音響変換器6の出力信号は必要ではない。これに対して、排気ガス騒音がシリンダカットによって影響を受けないようにするという場合であれば、音響変換器６が全体騒音にミスファイヤの騒音を付加する。

上に述べられた二つのケースでは、いずれにおいても、排気弁がエンジン制御装置によって要求されたように閉じられていない場合にはマイクロホン７の信号は期待される動作からずれる。かくして排気弁制御の動作は追加のセンサ無しに監視することができる。シリンダカットの間のいずれかのシリンダのガス交換弁の誤った開弁は、一定の時間間隔Δｔの間の排気ガス脈動の振幅Ａが期待される最大振幅Ａ＿ｍａｘよりも大きいという場合に検知される。

本発明の別の実施例では、制御装置によって騒音スペクトルの信号分析が、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって行われる。求められたこの騒音モデルは、記憶されている騒音モデルと比較される。その際、神経回路網或いは又簡単な閾値紹介を用いられることがある。異なる騒音モデルとその時間的割り当ては、例えばエンジンノック、エンジン或いは車輪の軸受け損傷、噴射弁に係わる欠陥、高圧ポンプに係わる欠陥、ジェネレータに係わる欠陥、例えばＶベルトのスリップ、スターターに係わる欠陥、吸気システム或いは排気システムに係わる漏れ、スロットルバルブ、二次エアポンプ、二次エアシステム、タンク排気弁、排気弁、排気再循環弁、インテークマニホルドの切換え装置のアクチュエータ等のその他のアクチュエータの欠陥、例えばオートマチックトランスミッションの場合の主変速ギヤ及び副変速ギヤ、トランスファーギヤ或いはディファレンシャルギヤに係わる摩耗、エンジンの弁駆動装置に係わる欠陥、ターボチャージャーに係わる欠陥、ターボチャージャーのバイパス弁に係わる欠陥、或いはエンジン冷却ファン或いはスターター等に係わる欠陥、等の様々な欠陥発生源に対応している。

求められた或いは測定された騒音も出るが記憶されている騒音モデルと一致した場合には記憶されている当該の騒音モデルに割り当てられている欠陥発生源が突き止められる。
代わりの手法として、エンジンの惰走運転中に診断の実施が行われる、何故なら、惰走運転中は燃焼による妨害雑音が無いからである。診断の実施はまた、車両の停止状態の際にも行うことができる。その際には、内燃機関のコンポーネント、或いは内燃機関を停止させた状態での車両のその他のコンポーネントの意図的な制御およびコンポーネントによって模倣された騒音の評価が行われる。コンポーネントの騒音レベルに応じた噴射弁の制御を行うこともできる。例えば、とりわけディーゼルエンジンの場合には、制御の変更、従って噴射量の変更によって“ノック音”の低減を行うことができる。即ち噴射制御が、騒音低減が行われるように変化される。その様な制御回路によって、例えば使用期間中におけるコンポーネントのドリフトも補正することができる。惰行運転中にはまた、点火火花の騒音のチェックによって点火のチェックも行うことができることが好ましい。

内燃機関の排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うためのシステムの概略図である。 内燃機関の診断のための本発明に基づくシステムの詳細図である。

符号の説明

１…内燃機関
２…排気ガス装置
３…消音器
４…制御装置
５…増幅器
６…音響変換器
７…マイクロホン
８…中間消音器
９…終端消音器
１０…排気口
１１…信号発生器
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…デジタルフィルタ
１３…適合装置
１４…基準値
１５…パイプ

Claims (15)

1. 内燃機関（１）に割り当てられた少なくとも一つのマイクロホン（７）を有し、前記内燃機関の音が録音されて電気信号に変換される、内燃機関（１）の診断方法において、
   前記音を表している電気信号が内燃機関（１）の運転状態の診断のために利用されることを特徴とする内燃機関（１）の診断方法。
2. 前記マイクロホンが、排気ガス装置（２）に割り当てられていることを特徴とする請求項１に記載の診断方法。
3. 前記マイクロホン（７）が、排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うための装置の一部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の診断方法。
4. 運転状態の診断が、排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うための装置の制御装置（４）によって準備されたマイクロホン（７）の生データを用いて行われることを特徴とする請求項３に記載の診断装置。
5. 運転状態の診断が、排気ガス設備（２）の音を表している電気信号と、期待された電気信号との比較によって行われ、期待された電気信号からの排気ガス装置（２）の音を表している電気信号のずれが限界値よりも大きい場合に、内燃機関（１）の運転状態が基準状態からずれていることが判定されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の診断方法。
6. 内燃機関（１）の運転状態の診断が、ミスファイヤの検知を含んでいることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の診断方法。
7. 一定の時間間隔（Δｔ）の間の排気ガスの脈動の振幅（Ａ）が期待される最小振幅（Ａ_min）よりも小さい時に、ミスファイヤが検知されることを特徴とする請求項６に記載の診断方法。
8. 内燃機関の運転状態の診断が、給排気弁の開閉の監視を含んでいることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の診断方法。
9. 内燃機関の運転状態の診断が、少なくとも一つのシリンダのシリンダカットオフの間におけるこのシリンダの給排気弁の閉弁の監視を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の診断方法。
10. 一定の時間間隔（Δｔ）の間の排気ガスの脈動の振幅（Ａ）が期待される最大振幅（Ａ_max）よりも大きい時に、シリンダのシリンダカットオフの間における給排気弁の開弁エラーが検知されることを特徴とする請求項９に記載の診断方法。
11. 前記電気信号から信号を表している騒音モデルが生成され、このモデルが、定められたエラーに関する特徴的な騒音モデルと比較され、前記信号を表している騒音モデルと前記特徴的な騒音モデルとの間の一致度を表す尺度が求められ、その尺度が許容範囲を外れている時に、その特徴的な騒音モデルに割り当てられているエラーが検知されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の診断方法。
12. 前記騒音モデルが、積分変換、とりわけフーリエ変換の周波数領域内での前記電気信号のスペクトルであることを特徴とする請求項１１に記載の診断。
13. 請求項１ないし８のいずれかに記載の診断方法を実施するために構成された内燃機関のための制御装置。
14. コンピュータで実行される時に、請求項１ないし１２のいずれかに記載の診断方法の全てのステップを実施するためのプログラムコードを備えているコンピュータプログラム。
15. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の診断方法を実施するために、内燃機関の排気ガス装置にアクティブな音響的介入を行うための装置の使用。

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