JP4927177B2 - 分析装置及びエンジン特性値の検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、クランク角に応じた成分を有する物理量を検出するセンサユニットと、信号導入部を介して前記センサユニットと接続された演算ユニットとを備えて成る、少なくとも１つのエンジン特性値を決定する分析装置及びエンジンを制御するためのこのエンジン特性値を検出する方法に関するものである。

エンジンテスト装置においては、所望のエンジン特性値を得るか、又は測定値から算出するために、複雑なセンサ類及び分析技術が用いられている。ここで、エンジン特性値とは、テストされる内燃エンジン（例えばディーゼルエンジン又はガソリンエンジン）又はその動作状態（例えば動作サイクル中）の特性値及びパラメータを意味する。

また、分析装置には、通常、センサ信号の処理（例えば増幅、調整、フィルタリング及び／又はデジタル化）のため信号増幅器が含まれる。例えば分析技術において特に重要な、シリンダ内圧を測定するための圧電センサのような所定のセンサにおいては、信号増幅器としてチャージアンプリファイヤが用いられる。なお、例えばひずみゲージ、ピエゾ抵抗式圧力センサ、固体伝送音ノッキングセンサ、音波放射分析及び超音波放射分析用のセンサ、イオン電流プローブ、火炎センサ、ニードル変位、バルブ変位又はピストン変位用のセンサなどに対する信号増幅器も利用される。

また、後置された独立の処理ユニットにおいて、必要なエンジン特性値が例えばシリンダ内圧、クランク角等の測定値によって算出されるか、又は例えばシリンダ内圧などの測定値が、エンジン特性値の算出のために時間若しくは測定されたクランク角に基づいて解析される。このとき、算出及び解析は、エンジン動作時（オンライン）又はその後（オフライン）に実行することが可能である。

したがって、処理ユニットは例えばクランク角センサからのクランク角信号のための固有の導入部を必要とするが、いくつかの特性値は、クランク角情報なしに算出することが可能である。例えば、最高圧力、燃焼騒音、ノッキング強さ、周波数成分、重要かつ特徴的な信号間の時間差などは、シリンダ内圧の時間変化に基づき、クランク角情報なしに算出することが可能である。

しかし、例えば分析された平均圧力、質量変化点、燃焼経過、燃焼中心位置、音響解析における成分、クランク角で表した点火遅れなどのような重要な特性値に対しては、仮に近似的に決定する場合であっても、シリンダ内圧以外は例えば角速度、１サイクルに要する時間、この１サイクルに要する時間をシリンダ数又は所定の角度分解能における回転角度で除した値のようなクランク角情報が必要となる。

しかしながら、クランク角情報の測定には、センサ類の複雑化が伴ってしまう。エンジンテスト装置においては、できる限り正確に所定の特性値を算出するとともに、できる限り正確な分析を行うことが望まれるため、このようなセンサ類の複雑化は当然のこととなっている。その一方で、できる限りコストを抑えることも要求される。

さらに、複雑化したセンサ類及び分析技術における空間的な問題や、追加的に必要なセンサ類をエンジンに取り付ける際には、多くの場合、大きな労力を要するという問題がある。

ところで、例えばシリンダ内圧センサからの周期的な測定信号に基づき、クランク角情報を導出することが基本的に知られている。例えば特許文献１には、チャージアンプリファイヤスイッチのドリフト補正装置を測定信号の周期に合わせて作動させることが記載されている。作動装置に対する周期的なトリガ信号（基本的にはクランク角情報）は、内部においては測定信号に基づき、外部においてはクランク軸に接続されたセンサに基づき送出される。

また、非特許文献１にはクランク軸の回転の非定常性を考慮しつつ、測定されたシリンダ内圧変化に基づきクランク角情報を算出することが記載されている。しかし、クランク角情報を算出するためのこのような手法は、基本的に、周期的な測定信号に基づき、必要なクランク角情報に近似したもののみを得るものである。そして、この際生じる誤差は、クランク角情報の算出手法に則ったものとなっている。このような近似手法は、エンジンテスト装置においては不適であるため、いままで使用されてこなかった。さらに、車両におけるオンボード測定技術あるいは分析技術への適用又は低価格市場への適用に対しては、このような複雑な技術は高価なものである上、複雑すぎるものである。

また、測定信号からピーク値を決定する機能を統合されたチャージアンプリファイヤが知られているが、このようなチャージアンプリファイヤは、これにより１つのみのエンジン特性値を算出しかできない上、フレキシブルでないため、その使用は非常に限定されたものとなっている。しかし、実際には、種々のエンジン特性値を算出する必要がある。

オーストリア国特許第３８８８３０号明細書 オーストリア国実用新案第００１５１９号明細書

Gheorgiu V., "Simulationsmodelle von Verbrennungsmotoren fuer Echtzeitanwendungen", 会議No. E-30-202-056-8, Haus der Technik e. V., 1998

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、簡易かつコンパクトに組み立てることが可能であるとともに、安価で、取付が容易である上、基本的なエンジン特性値を算出可能な分析装置及びこれに対応したエンジン特性値の検出方法を提供することにある。

上記目的は、センサユニットによって検出された物理量に基づき演算ユニットによりクランク角情報を算出するとともに、該クランク角情報及び前記物理量に基づき少なくとも１つのエンジン特性値を算出し、該エンジン特性値を出力信号として信号発出部から出力するよう構成することにより達成される。

エンジンテスト装置において、高価な分析技術を使用するのに比べて、低価格の分析技術（例えば非常に安価なテスト装置又は大量生産車両に対するオンボード測定技術）においては、内燃機関のパラメータ変更、キャリブレーション、診断、検出、制御などに対する手間及びコストを非常に低く抑えることができる。このようなことは、上述の理由により、従来の分析技術においては達成することができない。

例えばシリンダ内圧センサ等の従来のよく知られた分析装置においては、測定値を受け取り、該測定値をエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）又は処理ユニットへ供給される。このとき、測定値は、他の測定値（例えば測定されたクランク角）及び場合によってはメモリされた特性マップを考慮して分析される。このとき、必要なセンサ類により、取付、セットアップ、メンテナンス並びにセンサ及びエンジン制御ユニット又は処理ユニットのパラメータ変更にかかるコスト及び手間が大きくなってしまう。

車両のオンボード測定技術又は低価格市場での使用のみならずその他の比較的精度の低い使用に対しても本発明によるエンジン特性値の検出精度が十分であるため、追加のクランク角度入力部（追加的な高価なセンサ類又は追加的に必要な信号入力部）を分析装置に取り付けることなく必要なエンジン特性値を算出することにより、本発明の分析装置により上記のような欠点が解消される。

特に、本発明による分析装置によれば、設備投資コストを低減し、車両への取付を簡易化し、パラメータ変更を容易にし、セットアップ及び測定に係る時間を短縮し、他のシステムへの応用を可能にし、さらに、反復作業を削減することにより、エンジン開発において品質向上と時間節約を同時に達成することが可能である。

さらに、本発明による分析装置においては、その操作において熟練した知識を必要としない。また、構成部材又はエンジン制御におけるソフトウェア構成の故障の探知も本発明による分析装置により可能である。そのほか、本発明による分析装置によれば、適当なエンジン特性値を非常にフレキシブルに選択して使用することが可能である。

また、所定のセンサユニットに対しては、分析装置において、センサユニットと演算ユニットの間に、特にチャージアンプリファイヤである信号増幅器を配置するのが好ましい。この信号増幅器は、センサ信号を適当に処理するものである。すなわち、センサ信号は、例えば増幅、調整、フィルタ処理及び／又はデジタル化される。

そして、演算ユニット内で、物理量に基づき更なるエンジン特性値（ピーク圧力、燃焼騒音、ノッキング強さなど）を算出できるよう構成（すなわち、クランク角情報によらずに検出する）することで、本発明による分析装置のフレキシビリティ及び使用性を更に高めることができる。

さらに、複数の測定チャンネルそれぞれに対する信号導入部を有する解析ユニットを設けるとともに、各測定チャンネルに対して又は測定チャンネルのグループに対して１つの演算ユニットを設けるのが好ましい。このとき、複数の演算ユニットがそれぞれ関連し合い、それぞれの間でデータ交換するように設定することが考えられる。また、１つの演算ユニットを複数の測定チャンネルに対して使用してもよい。

複数の測定チャンネルを例えば多気筒エンジンの分析装置に設けることで、各シリンダがそれぞれ１つのシリンダ内圧センサを備えて形成され、複数のシリンダ内圧変化を共通のクランク角情報に基づき分析することが可能である。この場合、１つのみではなく、複数の信号がクランク角に依存する成分を有しているのが好ましい。そして、エンジンの形状及びこれに伴う各信号間の時間差あるいはクランク角度差について公知の事項を更に導入することも考えられる。

また、分析装置のユニット全体をケーシング内に収容すれば、特にコンパクトで、容易に使用できる装置が得られるとともに、特にケーシング外部における配線に伴う不都合を低減することが可能である。このような分析装置は、必要な信号あるいはデータ及びエンジン特性値を供給でき、後置の解析ユニットが不要であるため、１つの統合されたセンサとみなすことができる。

また、分析装置内に、フィルタユニット、信号調整装置及び信号増幅器のうち少なくともいずれかを設ければ、必要な処理において当該分析装置が信号を供給するため、後置の解析ユニットについてのコスト及び手間を削減することが可能である。

また、分析装置にエンジン制御装置を統合すれば、更なる統合規模が達成される。これにより、必要なハードウェアに対するコスト及び手間を更に低減することが可能である。そして、このような分析装置は必要なエンジン特性値をエンジン制御に対して供給するものであるため、この分析装置をエンジン制御において用いることで、エンジン制御におけるコスト及び手間を低減することが可能であるとともに、エンジン制御に係るセンサ類についてのコスト及び手間も低減することが可能である。

本発明によれば、簡易かつコンパクトに組み立てることが可能であるとともに、安価で、取付が容易である上、基本的なエンジン特性値を算出可能な分析装置及びこれに対応したエンジン特性値の検出方法を提供することが可能である。

エンジンへの本発明による分析装置の取付状態を示す図である。 様々な形態の分析装置を示す図である。 本発明による分析装置の他の例を示す図である。 本発明による分析装置の他の例を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１には内燃エンジンのシリンダ１の断面が示されており、シリンダ内部３にはピストン２が摺動可能に設けられているとともに、シリンダ１には公知のようにバルブ４が設けられている。また、内燃エンジンがオットーエンジン（ガソリンエンジン）である場合には、更に点火プラグ５が設けられている。なお、本発明は、その他の燃焼形式のエンジンにも適用可能である。

さらに、シリンダ１にはセンサユニット１０及び解析ユニット８で構成された分析装置６が設けられており、前記解析ユニット８は、例えばシリンダ内圧を測定し、解析するものである。ここで、「分析装置」とは、特にエンジン動作中におけるエンジンに関する測定値（燃焼についてのものに限らない。）を比較的高い分解能で時間若しくはクランク角度に応じて測定及び／又は分析する一般的に知られた装置である。

なお、分析装置６又は該分析装置６における解析ユニット８は、本実施の形態においては、エンジン制御装置７又はその他の処理ユニットに接続されている。

図２ａ）に示すように、分析装置６は、所定の物理量を測定するためのセンサユニット１０（例えば圧電センサ、ひずみゲージ、ピエゾ抵抗式圧力センサ、固体伝送音ノッキングセンサ、音波放射分析及び超音波放射分析用のセンサ、イオン電流プローブ、火炎センサ、ニードル変位、バルブ変位又はピストン変位用のセンサなど）及び解析ユニット８を含んで構成されている。

これらセンサユニット１０と解析ユニット８とは適当なケーブルで互いに接続されており、センサユニット１０からの信号は、信号導入部１４を通って解析ユニット８へ伝達される。この解析ユニット８には演算ユニット１２（例えばマイクロプロセッサ又はＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ））が設けられており、この演算ユニット１２によって測定された物理量（例えばシリンダ１内の圧力）がエンジン特性値へと処理される。

また、場合によって必要な信号のＡ／Ｄ変換は、演算ユニット１２内でなされるか、又はその前になされる。解析ユニット８の演算ユニット１２において処理された信号は、信号発出部１３からアナログ信号又はデジタル信号として送出される。なお、解析ユニット８と演算ユニット１２を１つのユニットとして形成してもよい。さらに、演算されたエンジン特性値を表示する表示装置１５を解析ユニット８に設けることも可能である。

さらに、図２ｂ）に示すように、センサユニット１０と演算ユニット１２の間に、特に圧電センサ用のチャージアンプリファイヤ１１である信号増幅器を設けることも考えられる。この際、センサの種類に応じて種々の信号増幅スイッチを用いればよい。特に圧力、力、トルク及び加速度を測定するための圧電センサに対しては、電位増幅器及びトランスインピーダンス増幅器（例えば電圧−電流変換器）ではなく、（狭義での）チャージアンプリファイヤ１１が広く用いられてきた。なお、狭義でのチャージアンプリファイヤとして様々な種類のものが知られている。そのほか、分析装置６内（例えば解析ユニット８内又は該解析ユニット８とセンサユニット１０の間）に不図示のフィルタユニット及び／又は信号調整装置を設けてもよい。

そして、演算ユニット１２は、測定された各物理量から例えば回転数、クランク軸が１回転するのに要する時間、角速度、１サイクルに要する時間、この１サイクルに要する時間をシリンダ数又は所定の角度分解能における回転角度で除した値のようなクランク角情報を算出するとともに、このように算出されたクランク角情報及び測定された各物理量から例えば分析された平均圧力、質量変化点、燃焼経過、燃焼中心位置、音響解析における成分、クランク角で表した点火遅れなどのようなエンジン特性値あるいは分析値を算出する。したがって、分析装置６あるいは解析ユニット８は固有のクランク角入力部を備える必要がないため、必要なセンサ類の数量を大幅に削減することが可能である。

そして、このように算出され、信号発出部１３から送出されるエンジン特性値は、例えば図１に示すように、適当なケーブルを介してエンジン制御装置７又はその他の処理ユニットへ入力される。このとき、信号を、解析ユニットからアナログ信号としても、デジタル信号としても送出することができる。

ところで、演算ユニット１２は、物理量の適当な解析が可能であるように適宜プログラムされる。すなわち、このプログラムには、クランク角情報の検出形態や、どのようなエンジン特性値を算出するかが考慮される。また、このエンジン特性値を、１つの測定値や複数のクランク角情報から導出することが可能であり、例えば、様々なエンジン特性値に対する測定値と共に解析される様々な近似精度においてエンジン特性値を導出することが可能である。

また、基本的に、測定値として、クランク角に応じた成分を含むすべての測定値が考慮される。すなわち、時間あるいはクランク角に依存し、クランク角情報から導出される物理量が考慮される。特に重要なのは、サイクル（４サイクル７２０°、２サイクル３６０°）において周期性を有する物理量か、又は少なくとも１つのそのような信号成分を含む物理量である。特に、エンジンの一時的な動作状態又は外部からの影響に由来するその他の信号成分は、クランク角情報の算出には不適である。

例えば、シリンダ内圧、シリンダ内の火炎、シリンダ内のイオン電流、イグニション電圧、イグニション電流、イグニションプレッシャ、機械的な振動、固体伝送音、例えばシリンダヘッドにおける空気伝送音、吸気又は排気の圧力脈動などが考慮され、これらを検出するために、それぞれセンサが設けられている。また、これらは、エンジンのアイドリング状態において周期的に送出される信号である。エンジンの実際の動作時には、エンジンの動作状態は加速又は減速によって連続的に変化する。

例えば、回転数あるいは実際の角速度はエンジン出力の上昇又は急速な加速において変化するため、従来のＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析による測定値の解析が機能しなくなることがある。そのため、特許文献２に記載されている内燃機関の回転数決定方法のような改良された方法を採用する必要がある。

また、このように算出されたエンジン特性値は、後置された処理ユニット内に分析値としてメモリされ、これにより、例えばエンジン動作における特徴的な測定データ及びパラメータを後に解析することが可能である上、上記エンジン特性値を、例えばディーゼルエンジンにおけるノッキング又は全負荷状態のような境界領域における燃焼を設計するため、快適性の向上のため、又は単に耐久性を向上させるためのエンジン開発若しくはエンジン調整及びエンジンテストに用いることも考えられる。なお、このようなエンジン特性値を、車両−オンボード−測定技術及びエンジン制御に用いるようにしてもよい。

例えば、このエンジン特性値は、エンジンあるいはエンジンの所定の特徴（例えば燃焼）を制御するのに用いられたり、又は変化するエンジンの状況に基づくエンジン制御における応用（例えばメモリされた特性マップ）に用いられる。さらに、特定のエンジン特性値を検出することにより、エンジンにおける問題を検知又は表示することが可能である。

そして、エネルギーの流れ又は特に内燃機関を備える混合システムにおけるエネルギーバランス若しくは出力バランスの決定が重要である。電動機においては消費した出力又はエネルギーを例えば電気的に測定可能な物理量を決定することが比較的容易である一方、内燃機関においては、一般に、機械的及び／又は熱力学的な測定装置に対して比較的大きな時間的分解能が必要となる。すなわち、分析装置６は、必要な実際の、例えば１燃焼サイクルにおいて平均化された出力及びエネルギーを算出及び提供する能力を有するものである。そのため、本発明による分析装置６は、上記のような目的のために使用することが可能となっている。

一方、クランク角情報に基づき算出されるエンジン特性値のほかに、クランク角情報に基づかずに測定値から直接導出されるその他の適当なエンジン特性値を用いることも可能である。このようなエンジン特性値も、信号発出部１３を介してエンジン制御装置７又は他の処理ユニットへ伝達される。

このとき、エンジン制御装置７を分析装置６に統合することが考えられ、センサ信号の解析は、エンジン制御の課題を引き継ぐ解析ユニット８によってなされるか、通常マイクロプロセッサのような演算ユニットを含むエンジン制御装置７においてなされる。これにより、分析装置６内に更に解析ユニット８を設ける必要がなくなる。

さらに、図３に示すように、解析ユニット８内に種々の物理量（測定量）に対する複数の測定チャンネルを設けてもよい。この場合、解析ユニット８に、各測定チャンネルごとに１つずつ信号導入部１４を設けることが可能である。これにより、分析装置６あるいは解析ユニット８によって複数のセンサユニット１０の測定値を処理及び解析することが可能である。例えば、複数のセンサをそれぞれエンジンにおける複数の箇所に設けるか、又は例えば各シリンダにシリンダ内圧を測定する圧力センサを１つずつ設けることができる。

また、これら物理量を、少なくとも１つの物理量から導出されるクランク角情報から分析装置６内で分析することもできる一方、クランク角情報によらずに分析することもできる。このとき、１つの物理量（測定値）から１つのクランク角情報を演算することが可能である。さらに、各物理量に対してそれぞれ１つのクランク角情報を演算することも可能である。

さらに、図３に示すように、解析ユニット８において各測定チャンネルに対して１つの演算ユニット１２を設けることが可能である。一方、図４に示すように、１つの測定チャンネル又は少なくとも１つの測定チャンネルから成る測定チャンネルの１つのグループに対して１つのみの演算ユニット１２を設けることも可能である。このとき、場合によっては必要となるチャージアンプリファイヤ１１をセンサユニット１０に直接設けることができる。

また、分析装置６の各構成部材を図２ｃ）に示すように共通のケーシング９内に設けることが可能であるとともに、該構成部材によって、コンパクトな装置として特に容易に操作することが可能な「インテリジェントセンサ」を形成することが可能である。このような閉鎖されたケーシング９は、センサユニット１０と演算ユニット１２の間で必要となる外部の配線の回避を可能とするものである。すなわち、分析装置６は、測定信号の分析に必要なすべてのユニットを含むことになる。

そして、分析装置６、解析ユニット８又は演算ユニット１２のパラメータの変更（例えばセンサユニット１０の感度又は分解能の変更）は、よく知られているように、対応するソフトウェアによってあらかじめ処理することが可能である。一方、分析装置６又はその一部を学習過程によって自動でパラメータの変更をすることにより、自動的なパラメータの変更を行うことも可能である。

上述の分析装置６は、例えば駆動装置、駆動補助装置、発電機としての内燃機関又は例えばパワートレインの構成部材に接続された内燃機関において、テスト装置又は製品試験台などの各テスト装置において実際には適当な形態及び環境で使用することができる。さらに、大量生産、工場での生産等への応用も考えられる。

１ シリンダ
２ ピストン
３ シリンダ内部
４ バルブ
５ 点火プラグ
６ 分析装置
７ エンジン制御装置
８ 解析ユニット
９ ケーシング
１０ センサユニット
１１ チャージアンプリファイヤ
１２ 演算ユニット
１３ 信号発出部
１４ 信号導入部
１５ 表示装置

Claims (13)

1. クランク角に応じた信号成分を有する物理量を検出するセンサユニット（１０）と、
   信号導入部（１４）を介して前記センサユニット（１０）と接続された演算ユニット（１２）と
   を備えて成る、クランク角情報から得られ、かつ、内燃エンジンの動作状態についての少なくとも１つのエンジン特性値を決定する分析装置において、
   前記センサユニット（１０）によって検出された物理量のみを入力値として入力しつつ該入力値に基づき前記演算ユニット（１２）によりクランク角情報を算出するとともに、該クランク角情報及び前記物理量のみに基づき少なくとも１つのエンジン特性値を算出し、該エンジン特性値を出力信号として信号発出部（１３）から出力するよう構成したことを特徴とする分析装置。
2. 前記センサユニット（１０）と前記演算ユニット（１２）の間に、特にチャージアンプリファイヤ（１１）である信号増幅器を配置したことを特徴とする請求項１記載の分析装置。
3. 前記演算ユニット（１２）内で、前記物理量に基づき更なるエンジン特性値を算出できるよう構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の分析装置。
4. 複数の測定チャンネルそれぞれに対する前記信号導入部（１４）を有する解析ユニット（８）を設けるとともに、各測定チャンネルに対して１つの前記演算ユニット（１２）を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の分析装置。
5. 複数の測定チャンネルそれぞれに対する前記信号導入部（１４）を有する前記解析ユニット（８）を設けるとともに、前記測定チャンネル又は前記測定チャンネルのグループに対して１つの前記演算ユニット（１２）を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の分析装置。
6. 当該分析装置（６）に、フィルタユニット、信号調整装置及び信号増幅器のうち少なくともいずれかを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の分析装置。
7. 当該分析装置（６）をケーシング（９）内に収容したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の分析装置。
8. エンジン制御装置（７）を含んで構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分析装置。
9. 解析ユニットとして前記エンジン制御装置（７）の演算ユニットを設けたことを特徴とする請求項８記載の分析装置。
10. 当該分析装置（６）をエンジン制御装置（７）に接続するとともに、該エンジン制御装置（７）に前記エンジン特性値を入力してエンジンを制御するよう構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の分析装置。
11. クランク角情報から得られ、かつ、内燃エンジンの動作状態についての少なくとも１つのエンジン特性値の検出方法であって、分析装置（６）が内燃エンジン又は内燃エンジンのユニットに設けられており、該分析装置（６）のセンサユニット（１０）によって、物理量がクランク角情報に応じた成分と共に測定される前記検出方法において、
    エンジン特性値の検出のために、前記分析装置（６）の解析ユニット（８）によって、前記物理量のみに基づきクランク角情報を算出するとともに、該クランク角情報及び前記物理量のみに基づきエンジン特性値を算出することを特徴とする検出方法。
12. 前記物理量のみから算出可能な更なるエンジン特性値を算出することを特徴とする請求項１１記載の検出方法。
13. エンジンの制御のために、エンジン制御装置（７）内においてエンジン特性値を利用することを特徴とする請求項１１又は１２記載の検出方法。

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