JP2011185778A

JP2011185778A - 容積型機械の複数シリンダの作動状態の弁別測定方法及び測定装置

Info

Publication number: JP2011185778A
Application number: JP2010051941A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tsuchiya; 一雄土屋
Original assignee: Meiji University
Current assignee: Meiji University
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】使用するセンサ数を少なくすることができ、信号処理についても装置の負担を軽減し、高速な処理が可能で自動用オンボード制御パネル等にも使用することができる複数シリンダの作動状態の弁別測定技術を提供すること。
【解決手段】運転状態にある容積型機械における複数のシリンダを含むシリンダ構造物２の挙動を検出する挙動センサ７をシリンダ内の燃焼ガスとは非接触に前記シリンダ構造物２に取り付け、前記センサからの信号から弁別手段によりそれぞれのシリンダに対応したシリンダ毎の個別の信号を弁別し、前記個別の信号を用いてそれぞれのシリンダの作動状態を表わす信号を導出する。
【選択図】図１

Description

この発明は容積型機械の複数シリンダの作動状態を弁別して測定する測定方法に関するもので、特に各筒内圧を簡易的に計測する技術に関するものである。

半導体技術の飛躍的な発展に伴い、自動車用エンジンのコンピュータ制御が広く行われるようになっている。このようなコンピュータ制御の一つの目的は燃費効率を改善することにあり、そのためにはエンジンを稀薄限界になるべく近い状態で運転することが必要である。

しかし、そのようなエンジン制御を行おうとするとき、制御目標である稀薄限界そのものが回転速度、負荷、大気状態などによって大きく左右されるため、制御が困難であるという問題がある。また、稀薄限界を超えると、燃焼変動や失火の増加によってドライバビリティや排気特性が急激に変化することも大きな問題である。したがって、従来のような空燃比のみに着目したエンジン制御では制御目標を稀薄限界よりも過濃側に設定しており、理想的な制御は行われていないことが多い。

このため、ドライバビリティや排気特性をある水準に保ちながら、稀薄域での制御精度を上げるためには、エンジンの燃焼状態を直接示す、図示平均有効圧ＩＭＥＰをエンジン制御情報として用いることができるようになれば有益であり、かつ望まれる。

この図示平均有効圧ＩＭＥＰは、Ｐをシリンダの筒内圧、Ｖをその容積、Ｖｓを行程容積として以下のように定義される。
ＩＭＥＰ＝（１／Ｖｓ）∫Ｐｄｖ（１）
従来この筒内圧Ｐを計測するためには、複数シリンダの各シリンダ毎にシリンダ内に圧力センサを取り付けて計測を行うのが一般的であり、精度が得られない。この圧力センサはシリンダ構造物（シリンダブロックとシリンダヘッドの集合体をいう。この明細書において同じ）のシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダ内に差し込まれて、燃焼ガスと接触状態に置かれる。

また、ＩＭＥＰは式（１）を離散化した式（２）により算出されている。

ここに、Ｐ（ｊ）、Ｖ（ｊ）は１サイクル間で等間隔にｎ個サンプリングされた、基準としたクランク角から数えてｊ番目の圧力と容積をそれぞれ表わす。

前述の通り、従来一般に筒内圧力は圧力センサにより検知されるが、圧力センサを取り付けるシリンダヘッドはシリンダ毎に吸気弁、排気弁、プラグなどが多数取り付けられていて、複雑な構造になっているので、空間取合の点から特に多シリンダエンジンの場合は圧力センサをシリンダヘッドに取り付けるのは困難である。

そこで、多シリンダエンジンにおいて圧力センサの数を減らすための工夫が開発されている（特許文献１、２参照）。

これらの従来の技術は多シリンダエンジンにおいて、標準シリンダの筒内圧を圧力センサで測定し、これにシリンダ圧のクランク角の相対関係を利用して、他のシリンダの状態を決定するものである。

しかしここで測定される信号は筒内圧センサを使用しているので、シリンダにそれを取り付けことの問題点は解決していない。

一方圧力センサによりシリンダ内の作動状態を直接に測定するのではなく、シリンダ構造物の外側に力センサなどのシリンダ構造物の挙動を検出するセンサを取り付け、そのセンサからの行程サイクルに関連した信号を検出し前記信号を用いてシリンダの作動状態を間接的に測定する技術が開発されてきた（特許文献３、４参照）。

従来技術を示す図７はシリンダ構造物に外付けした力センサからの信号によって導出したＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_{ｆｏｒｃｅ}とシリンダ内の圧力センサからの信号によって導出したＩＭＥＰ（ＩＭＥＰ）_０との関係を示したグラフであるが両者が良好に相関（比例）していることが分かる。

しかしながら、従来技術においては、シリンダ構造物に複数のシリンダが含まれる多シリンダエンジンとなっているため、各シリンダ毎に外付けのセンサで測定するのはセンサの数が多くなるし、信号処理についても演算装置の負担が大きくなって、速度も遅くなってオンボード制御装置などには適用が難しい場合もある。このようなことからより簡便に複数シリンダの作動状態を個別に測定することができる技術の開発が望まれている。

特開２００６−１３８２９３号公報特開２００８−１３８６８１号公報特公平８−２０３３９号公報特開２００５−１３３６９４号公報

この発明は、上記の如き問題点を解決するためになされたものであって、使用するセンサ数を少なくすることができ、信号処理についても装置の負担を軽減し、高速な処理が可能で自動用オンボード制御パネル等にも使用することができる複数シリンダの作動状態の弁別測定技術を提供することを目的とするものである。

この発明の容積型機械の複数シリンダの作動状態の弁別測定方法は、運転状態にある容積型機械における複数のシリンダを含むシリンダ構造物の挙動を検出する挙動センサをシリンダ内の燃焼ガスとは非接触に前記シリンダ構造物に取り付け、前記センサからの信号から弁別手段によりそれぞれのシリンダに対応したシリンダ毎の個別の信号を弁別し、前記個別の信号を用いてそれぞれのシリンダの作動状態を表わす信号を導出することを特徴としている。

本発明によれば、運転状態にある容積型機械における複数のシリンダを含むシリンダ構造物の挙動を検出する挙動センサを、シリンダ内の燃焼ガスとは非接触に、シリンダの数よりも少ない数、前記シリンダ構造物に取り付け、前記センサの信号から弁別手段により、それぞれのシリンダに対応したシリンダ毎の個別の信号を弁別し、前記個別の信号を用いてそれぞれのシリンダの作動状態を表わす信号を導出するようにしたので、取り付けたセンサの数以上のシリンダの作動状態を個別に導出することができる。

また、弁別手段として、個別のシリンダの燃焼のＴＤＣ（上死点）を基準とするゲート幅の中で、センサからの信号をサンプリングするようにすれば、信号のシリンダ毎の弁別が容易である。

さらにまた、作動状態を表わす信号として、シリンダの筒内圧瞬時値又は図示平均有効圧を用いれば、シリンダ毎の制御が容易になる。しかもこの場合の装置の構成も簡単にすることができる。

構造物上のセンサの位置を示す平面説明図。シリンダ構造物上のセンサによって検出される信号を示すグラフ。信号処理装置を示すブロック図。個別信号処理装置を示すブロック図。ＩＭＥＰ₀（Ｎｏ．２Ｃｙｌ）とＩＭＥＰ_{ｓｔｒａｉｎ}（Ｎｏ．３Ｃｙｌ−ＮＢ５）との相関を示すグラフ。エンジンの仕様を示す表。Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_{ｆｏｒｃｅ}と（ＩＭＥＰ）₀の関係を示すグラフ。

以下、この発明の一実施の形態を図面をもって詳細に説明する。

シリンダ構造物２上のセンサの位置を示す図１には容積型機械の複数のシリンダを含むシリンダ構造物２の１例として、３シリンダ中速ディーゼル機関のシリンダブロック３が示されている。このシリンダブロック３には第１シリンダ４、第２シリンダ５、第３シリンダ６の３個のシリンダが設けられている。

この機関が運転状態にあるときは、３つのシリンダ４、５、６の作動状態によって、シリンダ構造物２に振動、歪、変形などの挙動が生ずるが、挙動検出センサの出力信号を複数のシリンダについて共通に使って、複数のシリンダのそれぞれについて個別のシリンダの作動状態を表わす信号を導出するようにしている。この実施例では測定の対象は第２シリンダ５と第３シリンダ６の２つのシリンダである。シリンダ構造物２を構成するシリンダブロック３にはシリンダ構造物２の挙動を検出する挙動センサ７が外付けられている。シリンダ構造物２に生ずる挙動の種類としては、例えば力の変化、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間のガスケットの隙間の変化、シリンダ構造物に作用する加速度の変化及びシリンダ構造物の変形があり、それぞれの検出対象に対応して力を検出するための力センサがシリンダブロック又はガスケット隙間、特に好ましくはシリンダブロックとシリンダヘッドとを締着するボルトに取り付けられ、ガスケットの隙間を検出するためのギャップセンサがガスケットの隙間に取り付けられ、加速度を検出するための加速度センサがシリンダブロックに取り付けられ、シリンダブロックの変形を検出するためにギャップセンサがシリンダブロックに取り付けられ、シリンダヘッドに作用する加速度を検出するために加速度センサがシリンダヘッドに取り付けられるようにしている。それぞれのセンサは単独で使用され、又は他のセンサと組み合わせて使用され、また必要に応じて選択して使用される。なお挙動センサ７の取り付け位置は、図１に示すものに限られない。

挙動センサ７はシリンダ構造物２の挙動、すなわちシリンダ構造物２に作用する力、ギャップ、加速度又はシリンダ構造物の変形を検出する。エンジンの１サイクルの吸入、圧縮、爆発、排気の４行程において、シリンダ構造物２における力、ギャップ、加速度及び変形は、筒内圧と相関を持つので挙動センサ７の信号を元信号として後述する個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…で処理して行程サイクルに関連した信号を得、さらにそれを演算装置１７で演算してシリンダの作動状態を表わす信号である筒内圧瞬時値又は図示平均有効圧を導出する。この実施例ではシリンダブロック３に第３シリンダ６の周囲の１本のヘッドボルト９に挙動センサ７の１例としてストレンゲージ８が装着されている。このような構成において３つのシリンダ４、５、６が作動するとシリンダブロック２の挙動としてヘッドボルト７に歪が生じ、この歪がストレンゲージ８に検出されてストレンゲージ８から挙動信号が出力される。この信号はシリンダの作動状態を表わす信号の元信号となる。

第２図は実験として、ストレンゲージ８によるヘッドボルト９の歪の測定と圧力センサ（図示せず）による第２シリンダ５の筒内圧の測定と圧力センサ（図示せず）による第３シリンダ６の測定を同時に行なった結果を示しているが、第３シリンダ６の近傍のストレンゲージ８によって検出したシリンダブロック３の歪信号（３−ＨＢ５ｓｔｒａｉｎ）には大きなピーク部分３１の他に小さなピーク部分３２を含んでいる。大きなピーク部分３１は第３シリンダの圧力センサ（図示せず）によって測定した第３シリンダ６の筒内圧の信号（３−ｐｒｅｓｓｕｒe）との対比から第３シリンダ６の筒内圧の影響によるものであることが分かる。

また、小さなピーク部分３２は第２シリンダ用の圧力センサ（図示せず）によって測定した第２シリンダの筒内圧の信号（２−ｐｒｅｓｓｕｒe）との対比から第２シリンダ５の筒内圧の影響によるものであることが分かる。このように第３シリンダ６の近傍のストレンゲージ８によって検出したシリンダブロック３の歪信号（３−ＨＢ５ｓｔｒａｉｎ）には第２シリンダの筒内圧の影響が重畳している。これを使って第３シリンダ６のＩＭＥＰ等の測定の他に、第２シリンダ５のＩＭＥＰ等も測定することができる。

次にシリンダブロック３の歪信号（３−ＨＢ５ｓｔｒａｉｎ）から第３シリンダ６の作動状態を表わす信号と第２シリンダ５の作動状態を表わす信号との両方を個別に導出する操作として、歪信号（３−ＨＢ５ｓｔｒａｉｎ）を元信号として、ピーク部分３１とピーク部分３２とを切り分けて、第３シリンダ６用元信号３３と第２シリンダ５用元信号３４に弁別する処理と弁別されたそれぞれの元信号を演算する処理とをし、さらに必要に応じてその他の処理、例えばノイズ除去処理を行う。

そのような処理を行う信号処理装置１０の一例が図３に示されている。信号処理装置１０は複数の個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…を並列に備えている。

個別信号処理装置１０Ａは第１シリンダ４用の信号を第１シリンダ用の処理条件で弁別処理する個別信号処理装置であり、個別信号処理装置１０Ｂ、１０Ｃもそれぞれ第２シリンダ５用、第３シリンダ６用の信号を個別の処理条件で個別に弁別処理する個別信号処理装置である。これらの個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…のハードウェアは図４に示されている。

次に個別信号処理演算装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…について詳細に説明する。

個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…は、それぞれ入力部１２と出力部１３との間にアナログスイッチ１５、ローパスフィルタ１４、Ａ／Ｄ変換器１６を順に備え、さらに個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…の下流に演算装置１７を備える。

アナログスイッチ１５はそれぞれのシリンダに固有のＴＤＣを用いて元信号を所定の幅でゲート処理して元信号からそれぞれのシリンダ毎に固有の信号をサンプリングするものである。

アナログスイッチ１５にはゲートセット（ＧaｔｅＳｅｔ）コントローラ２２が接続している。ゲートセット（ＧaｔｅＳｅｔ）コントローラ２２はＴＤＣ信号とクロック（ＥＣＵ）信号を受けてアナログスイッチ１５におけるゲート幅を決定してアナログスイッチ１５に入力する。ゲート幅は例えばＴＤＣを基準とした前後の所定の角度（ゲート角）で定められる。

ローパスフィルタ１４にはローパスフィルタ１４のカットオフを制御するカットオフコントローラ１８が接続し、カットオフコントローラ１８にはＦ／Ｖコンバータ２１が接続する。

Ｆ／Ｖコンバータ２１はクロック（ＥＣＵ）信号によりローパスフィルタ１４のカットオフを決定してローパスフィルタ１４に入力する。このローパスフィルタ１４のカットオフはエンジンの回転速度に応じて決定することも可能である。

ＴＤＣはそれぞれのシリンダ毎に異なっていて、図２に示す元信号の場合は第３シリンダ６のＴＤＣは６００ｄｅｇの位置であり、第２シリンダ５のＴＤＣは３６０ｄｅｇの位置である。ゲート幅は、図２に示す元信号の場合はそれぞれのＴＤＣの前後３５ｄｅｇである。Ａ／Ｄ変換器１６はローパスフィルタスイッチ１４の出力信号をＴＤＣ信号又はクロック（ＥＣＵ）信号に基づいてＡ／Ｄ変換して出力する。演算装置１７はＡ／Ｄ変換器１６の出力を演算して筒内圧力瞬時値及びエンジンシリンダのＩＭＥＰを導出し出力する。

このように構成された信号処理装置１０におけるＩＭＥＰ導出操作は次の通りである。
外付けの挙動センサ７で検出された元信号は信号処理装置に入り、それぞれの入力部１２から個別信号処理装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…に入り、アナログスイッチ１５で所定のゲート角だけで信号をサンプリングして取り入れ、ついでローパスフィルタ１４を通してノイズを低減させ、この信号をＡ／Ｄ変換器１６でＡ／Ｄ変換して行程サイクルに関連した信号を得、次にこれを演算装置１７で演算してシリンダの作動状態を表わす信号、例えばＩＭＥＰを導出する。この処理は各個別信号処理装置１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…ごとに行う。この図示平均有効圧については、本発明では行程サイクルに関連した角度でサンプリングした行程サイクルに関連した信号の上述の筒内圧瞬時値内の基本波（振幅Ｃ₁、位相φ₁）、第２高調波（（振幅Ｃ₂、位相φ₂）を取り出して、式（３）又は式（４）により演算装置１７で演算して求めている。

ここに、Ｋ、ｈはエンジン諸元より定まる定数、ｎを１サイクル間のサンプルデータ数としてｍ＝ｎ／２である。またＰ（３６０ｊ／ｎｈ）、Ｐ（−３６０ｊ／ｎｈ）は、燃焼のＴＤＣを基準として前後３６０ｊ／ｎｈ度における上述の筒内圧瞬時値を表わす。

図３は現在行われている筒内圧力センサからの信号により式（２）により求めた図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）₀と上述の筒内圧瞬時値（力センサ）より式（３）から計算したＥｑｕｉｖａｌｅｎｔ（ＩＭＥＰ）_force（添字_forceは力センサを表わす）との関係を示している。両者は比例関係にあることが分かる。

図５には実験例としてこの発明により定常運転時に第３シリンダ６の近傍に配置したストレンゲージ８の検出信号（図２のピーク３２）を使用して第２シリンダ５のＩＭＥＰをモニタした場合の精度・相関が示されている。なお、図５にはアイドリング（ｉｄｌｉｎｇ）〜７５％ロード（ｌｏａｄ）まで、各負荷で３００個のデータがプロットされている。

ストレンゲージ８を使用したＩＭＥＰ（ＩＭＥＰｓｔｒａｉn）と第２シリンダ５の筒内圧力を圧力センサで測定したＩＭＥＰ（ＩＭＥＰ_０（２−ｐｒｅｓｓｕｒｅ））の相関が良好であることが分かる。

第３シリンダ６のストレンゲージ８からの歪み信号(３−ＨＢｓｔｒａｉn)（図２）から第３シリンダ６（相関係数ρ＝０.９９８８）および第２シリンダ５のＩＭＥＰモニタが実現することが分かる。

第６図にこの実験例に用いたエンジン（ＭＡＴＳＵＩＭＵ３２３ＤＧＳＣＴｈｒｅｅｃｙｌｉnｄｅｒｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎe）の仕様及び運転条件を示す。

以上説明した実施例はこの発明を３シリンダエンジンに適用したものであるが、この発明の原理はそのまま６シリンダ、１２シリンダ等の多シリンダエンジンにも適用することができる。しかも使用するセンサの構成を簡単にしても高価な筒内圧センサを使用した場合と同等の測定精度を実現することができる。

この発明によれば容積型機械の複数シリンダ構造に外付けしたセンサからのシリンダ構造物挙動を示す信号を各シリンダについて共通に使用するので、使用するセンサの数を少なくすることによってコストを削減することができ、信号処理についても装置の負担を軽減して高速な処理を行うことができるため、簡易なオンボードのエンジン制御システムなどに利用することができる。

２シリンダ構造物
３シリンダブロック
４第１シリンダ
５第２シリンダ
６第３シリンダ
７挙動センサ
８ストレンゲージ
９ヘッドボルト
１０信号処理装置
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…個別信号処理装置
１２入力部
１３出力部
１４ローパスフィルタ
１５アナログスイッチ
１６Ａ／Ｄ変換器
１７演算装置
１８カットオフコントローラ
１９ＬＰＦ補正値算出手段
２１Ｆ／Ｖコンバータ
２２ゲートセットコントローラ
３１ピーク部分
３２ピーク部分

Claims

運転状態にある容積型機械における複数のシリンダを含むシリンダ構造物の挙動を検出する挙動センサを、シリンダ内の燃焼ガスとは非接触に、シリンダの数よりも少ない数、前記シリンダ構造物に取り付け、前記センサの信号から弁別手段により、それぞれのシリンダに対応したシリンダ毎の個別の信号を弁別し、前記個別の信号を用いてそれぞれのシリンダの作動状態を表わす信号を導出することを特徴とする容積型機械の複数シリンダの作動状態を弁別測定する方法。
前記弁別手段は、前記それぞれのシリンダの燃焼のＴＤＣを基準とするゲート幅の中で前記センサからの信号をサンプリングすることによって行うことを特徴とする請求項１記載の容積型機械の複数シリンダの作動状態を弁別測定する方法。
前記作動状態を表わす信号は、シリンダの筒内圧瞬時値又は図示平均有効圧であることを特徴とする請求項１又は２記載の容積型機械の複数シリンダの作動状態を弁別測定する方法。
運転状態にある容積型機械における複数のシリンダを含むシリンダ構造物の挙動を検出する手段、前記センサの信号をそれぞれのシリンダに対応したシリンダ毎の個別の信号に弁別する手段、及び、前記個別の信号を用いてそれぞれのシリンダの作動状態を表わす信号を導出する手段、を設け、前記挙動を検出する手段は、シリンダ内の燃焼ガスと非接触状態とされていることを特徴とする容積型機械。