JP2021139304A - エンジン装置および異音検知システム - Google Patents

エンジン装置および異音検知システム Download PDF

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Abstract

【課題】エンジンのクランク角の信号を直接用いずに、エンジンの異音のタイミングを推定可能にする。【解決手段】エンジンの特定気筒の上死点のタイミングに合わせてエンジンの動作音よりも高周波数の特定音を発生させる。これにより、エンジンの周囲から集音した音に基づいて、例えば、特定音の発生タイミングと、エンジンで異音が発生したタイミングとの時間のずれにより、エンジンのクランク角の信号を直接用いずに、エンジンの異音のタイミングを推定にすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン装置および異音検知システムに関する。
従来、この種の技術としては、内燃機関が発する音を検知する音圧検知部と、内燃機関のクランク軸の回転角度を検知する角度検知部と、異常音圧の官能評価を行なうノッキングレベル検出装置とを備えるノッキングレベルの評価システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この評価システムでは、音圧検知部からの音圧信号と、角度検知部からの角度信号とを合成した音圧データに基づいて異常音の官能レベルを定量化する。
特開２０１６−１６４４０５号公報
上述のノッキングレベルの評価システムでは、音圧信号と角度信号とを合成した音圧データを作成する必要がある。しかし、音圧データを作成する手法以外の手法、例えば、角度信号を直接用いない手法により、エンジンの異音のタイミングを推定する技術を考案することも求められている。
本発明のエンジン装置および異音検知システムは、エンジンのクランク角の信号を直接用いずに、エンジンの異音のタイミングを推定可能にすることを主目的とする。
本発明のエンジン装置および異音検知システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明のエンジン装置は、
エンジンと、
前記エンジンの特定気筒の上死点のタイミングに合わせて前記エンジンの動作音よりも高周波数の特定音を発生させる特定音発生部と、
を備えることを要旨とする。
この本発明のエンジン装置では、エンジンの特定気筒の上死点のタイミングに合わせてエンジンの動作音よりも高周波数の特定音を発生させる。これにより、エンジンの周囲から集音した音に基づいて、例えば、特定音の発生タイミングと、エンジンで異音が発生したタイミングとの時間のずれにより、エンジンのクランク角の信号を直接用いずに、エンジンの異音のタイミングを推定にすることができる。
本発明のエンジン装置において、前記特定音は、可聴域よりも高周波数の音であるものとしてもよい。こうすれば、特定音がエンジンのユーザ（例えば、運転者や作業者など）に不快感を与えるのを抑制することができる。
本発明のエンジン装置において、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサを備え、前記特定音発生部は、検出された前記クランク角に基づいて前記特定気筒の上死点のタイミングを推定し、前記特定気筒の上死点のタイミングに合わせて前記特定音を発生させるものとしてもよい。こうすれば、特定音を発生させるタイミングを適切に設定することができる。
本発明のエンジン装置を備える異音検知システムにおいて、前記エンジンは、車両のエンジンルームに収容され、前記特定音発生部は、前記エンジンルーム内に配置または前記エンジンルームの壁部に取り付けられ、前記エンジンルーム内の音を集音する集音部と、前記集音部により集音した音に基づいて、異音の発生の有無およびタイミングを推定する推定部とを備えるものとしてもよい。
本発明の一実施例としてのエンジン装置２０を備える異音検知システム１０の構成の概略を示す構成図である。 エンジンＥＣＵ４０により実行される特定音発生ルーチンの一例を示すフローチャートである。 異音検知ＥＣＵ５０により実行される異音判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 検出音Ｓｅｒとクランク角θｃｒとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置２０を備える異音検知システム１０の構成の概略を示す構成図である。実施例のエンジン装置２０は、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載され、図１に示すように、エンジン２２と、エンジンルーム３０と、エンジン用電子制御ユニット（以下、「エンジンＥＣＵ」という）４０と、異音検知用電子制御ユニット（以下、「異音検知ＥＣＵ」という）５０とを備える。
エンジン２２は、ガソリンや軽油などを燃料として動力を出力する内燃機関として構成されている。エンジン２２は、図示しないが、エアクリーナにより清浄された空気を吸気管に吸入してスロットルバルブやサージタンクを通過させると共に、吸気管のサージタンクよりも下流側で燃料噴射弁から燃料を噴射し、空気と燃料とを混合する。そして、エンジン２２は、この混合気を吸気バルブを介して燃焼室に吸入し、吸入した混合気を点火プラグによる電気火花により爆発燃焼させる。この爆発燃焼のエネルギにより押し下げられるピストンの往復運動がクランクシャフトの回転運動に変換される。エンジン２２は、エンジンＥＣＵ４０により運転制御されている。
エンジンルーム３０は、エンジンフードやエンジンカウルなどにより画成され、エンジンルーム３０内には、エンジン２２が配置されている。なお、ハイブリッド自動車の場合、モータやモータを駆動するインバータなどもエンジンルーム３０内に配置されることがある。エンジンルーム３０の壁部には、スピーカ３４と音センサ５２とが取り付けられている。音センサ５２は、エンジンルーム３０内の音波の周波数を検出音Ｓｅｒとして検出する。スピーカ３４は、可聴域よりも高周波数（例えば、２万Ｈｚ以上）の特定音（例えば、パルス音）Ｓｐを発生可能に構成されている。
エンジンＥＣＵ４０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。
エンジンＥＣＵ４０には、エンジン２２を運転制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力される。エンジンＥＣＵ４０に入力される信号としては、例えば、エンジン２２の図示しないクランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジションセンサ２３からのクランク角θｃｒを挙げることができる。
エンジンＥＣＵ４０からは、エンジン２２を運転制御するための各種制御信号が出力ポートを介して出力される。エンジンＥＣＵ４０から出力される信号としては、例えば、図示しないスロットルバルブのポジションを調節するスロットルモータへの駆動制御信号、図示しない燃料噴射弁への駆動制御信号や、図示しない点火プラグへの制御信号を挙げることができる。また、スピーカ３４への制御信号も挙げることができる。
エンジンＥＣＵ４０は、クランクポジションセンサ２３からのクランク角θｃｒに基づいてエンジン２２の回転数Ｎｅを演算している。また、エンジンＥＣＵ４０は、図示しないエアフローメータからの吸入空気量Ｑａとエンジン２２の回転数Ｎｅとに基づいて負荷率（エンジン２２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを演算している。
異音検知ＥＣＵ５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。異音検知ＥＣＵ５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力される。異音検知ＥＣＵ５０に入力される信号としては、例えば、音センサ５２からの検出音Ｓｅｒを挙げることができる。
こうして構成された実施例の異音検知システム１０では、エンジンＥＣＵ４０は、エンジン２２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、図示しないスロットルバルブの開度を制御する吸入空気量制御や、図示しない燃料噴射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御、図示しない点火プラグの点火時期を制御する点火制御などを行なう。
次に、こうして構成された実施例の異音検知システム１０の動作、特に、スピーカ３４から特定音Ｓｐを発生させるときの動作について説明する。図２は、エンジンＥＣＵ４０により実行される特定音発生ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、エンジン２２の異音の検知が要求されているときに繰り返し実行される。
図２の特定音発生ルーチンが実行されると、エンジンＥＣＵ４０は、最初に、クランク角θｃｒなどのデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、クランク角θｃｒは、クランクポジションセンサ２３の検出値が入力される。
こうしてデータを入力すると、入力したクランク角θｃｒに基づいて、エンジン２２の特定気筒の上死点のタイミングを推定する（ステップＳ１１０）。ここで、特定気筒は、エンジン２２が有する複数の気筒（例えば、４気筒）のうち基準とする１つの気筒である。これにより、後述の異音判定ルーチンに適したタイミングで特定音Ｓｐを発生させることができる。
上死点のタイミングを推定すると、推定した上死点のタイミングに合わせて特定音（例えば、パルス音）Ｓｐが発生するようにスピーカ３４を制御し（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。ここで、特定音Ｓｐは、エンジン２２の動作音や可聴域よりも高く且つエンジンルーム３０内の他の装置（ハイブリッド自動車の場合、例えば、インバータ）と干渉しない周波数（例えば、２万Ｈｚ以上）ｆｓｐに設定される。これにより、特定音Ｓｐがユーザ（例えば、車両の運転者や、エンジン２２などを点検する作業者など）に不快感を与えるのを抑制することができる。
次に、エンジン２２に発生した異音を検出するときの動作について説明する。図３は、異音検知ＥＣＵ５０により実行される異音判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、エンジン２２の異音の検出が要求されているときに繰り返し実行される。
図３の異音判定ルーチンが実行されると、異音検知ＥＣＵ５０は、最初に、検出音Ｓｅｒなどのデータを入力する（ステップＳ２００）。ここで、検出音Ｓｅｒは、音センサ５２の検出値が入力される。
こうしてデータを入力すると、エンジン２２から異音が発生しているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。この判定は、例えば、検出音Ｓｅｒに閾値ｆｒｅｆ１以上かつ閾値ｆｒｅｆ２以下の周波数の成分が含まれるか否かにより行なうことができる。ここで、閾値ｆｒｅｆ１，ｆｒｅｆ２は、エンジン２２の異音を検出するための周波数の下限閾値および上限閾値である。閾値ｆｒｅｆ１は、エンジン２２の正常時の動作音よりも高くかつ特定音Ｓｐよりも低い値として、閾値ｆｒｅｆ２は、閾値ｆｒｅｆ１よりも高くかつ特定音Ｓｐよりも低い値として、実験や解析により定められる。エンジン２２から異音が発生していないときには、ステップ１００に戻る。
ステップＳ２１０でエンジン２２から異音が発生しているときには、スピーカ３４が発生した特定音Ｓｐに基づいて、エンジン２２で異音が発生したタイミング（異音が発生したときのエンジン２２のクランク角）を推定し（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。上述の特定音発生ルーチンにより特定音Ｓｐがエンジン２２の特定気筒の上死点のタイミングに合わせて発生しているため、この推定は、検出音Ｓｅｒに含まれるエンジン２２での異音の発生タイミングと特定音Ｓｐの発生タイミングとの時間のずれに基づいて行なうことができる。こうした処理により、エンジン２２のクランク角θｃｒ（クランクポジションセンサ２３からの信号）を直接用いずに、エンジン２２の異音のタイミングを推定することができる。
図４は、検出音Ｓｅｒとクランク角θｃｒとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。なお、図中、検出音Ｓｅｒに含まれるエンジン２２の動作音は、帯域幅の上限値を図示した。図示するように、エンジン２２の特定気筒の上死点に至ると（時刻ｔ１，ｔ３）、スピーカ３４は、周波数ｆｓｐ（例えば、２万Ｈｚ以上）の特定音Ｓｐを発生させる。一方、エンジン２２の動作音の周波数が閾値ｆｒｅｆ１以上かつ閾値ｆｒｅｆ２以下になったとき（この周波数範囲の成分を含むとき）には（時刻ｔ２）、エンジン２２で異音が発生していると判定する。そして、エンジン２２で異音が発生したタイミング（時刻ｔ２）と特定音Ｓｐの発生タイミング（時刻ｔ１）との時間のずれに基づいて、エンジン２２で異音が発生したときのクランク角を推定することができる。即ち、エンジン２２のクランク角θｃｒを直接用いずに、エンジン２２の異音のタイミングを推定することができる。
以上説明した実施例のエンジン装置２０では、エンジン２２の特定気筒の上死点のタイミングに合わせてエンジン２２の動作音よりも高周波数の特定音Ｓｐを発生させる。これにより、エンジン２２の周囲（エンジンルーム３０内）から集音した音に基づいて、例えば、特定音Ｓｐの発生タイミングと、エンジン２２で異音が発生したタイミングとの時間のずれにより、エンジン２２のクランク角θｃｒの信号を直接用いずに、エンジン２２の異音のタイミングを推定することができる。
実施例のエンジン装置２０では、エンジン２２の複数の気筒のうち１つの特定気筒の上死点に至ると特定音Ｓｐを発生させるものとした。しかし、エンジン２２の複数の気筒のうち複数の特定気筒のいずれか１つが上死点に至ると特定音Ｓｐを発生させるものとしてもよい。この場合、複数の特定気筒のそれぞれに対して異なる周波数の特定音Ｓｐを発生させるのが好ましい。
実施例のエンジン装置２０では、特定音Ｓｐは、２万Ｈｚ以上の周波数を用いるものとした。しかし、エンジン２２の動作音よりもある程度高い周波数であればよく、２万Ｈｚ未満の周波数を用いるものとしてもよい。
実施例の異音検知システム１０では、異音検知ＥＣＵ５０と音センサ５２とをエンジン装置２０が備えるものとした。しかし、異音検知ＥＣＵ５０と音センサ５２とを外部装置（例えば、スマートフォン）が備えるものとしてもよい。
実施例の異音検知システム１０では、エンジンＥＣＵ４０と異音検知ＥＣＵ５０とを備えるものとした。しかし、エンジンＥＣＵ４０と異音検知ＥＣＵ５０とが一体に構成されているものとしてもよい。この場合、実施例と同様に、エンジン２２のクランク角θｃｒの信号を直接用いずに、エンジン２２の異音のタイミングを推定することができる。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、スピーカ３４とエンジンＥＣＵ４０とが「特定音発生部」に相当する。また、音センサ５２が「集音部」に相当し、異音検知ＥＣＵ５０が「推定部」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、エンジン装置や異音検知システムの製造産業などに利用可能である。
１０ 異音検知システム、２０ エンジン装置、２２ エンジン、２３ クランクポジションセンサ、３０ エンジンルーム、３４ スピーカ、４０ エンジンＥＣＵ、５０ 異音検知ＥＣＵ、５２ 音センサ。

Claims (4)

  1. エンジンと、
    前記エンジンの特定気筒の上死点のタイミングに合わせて前記エンジンの動作音よりも高周波数の特定音を発生させる特定音発生部と、
    を備えるエンジン装置。
  2. 請求項１記載のエンジン装置であって、
    前記特定音は、可聴域よりも高周波数の音である、
    エンジン装置。
  3. 請求項１または２記載のエンジン装置であって、
    前記エンジンのクランク角を検出するクランク角センサを備え、
    前記特定音発生部は、検出された前記クランク角に基づいて前記特定気筒の上死点のタイミングを推定し、前記特定気筒の上死点のタイミングに合わせて前記特定音を発生させる、
    エンジン装置。
  4. 請求項１ないし３のうちの何れか１つの請求項に記載のエンジン装置を備える異音検知システムであって、
    前記エンジンは、車両のエンジンルームに収容され、
    前記特定音発生部は、前記エンジンルーム内に配置または前記エンジンルームの壁部に取り付けられ、
    前記エンジンルーム内の音を集音する集音部と、
    前記集音部により集音した音に基づいて、異音の発生の有無およびタイミングを推定する推定部と、
    を備える異音検知システム。
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