JP6469553B2 - 機器状態判定装置、機器状態判定方法及びノッキング判定装置 - Google Patents
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Description
ところで、内燃機関の構造は様々であることから、ノッキングの有無を判定しようとする内燃機関に筒内圧センサが設置されているとは限らない。例えば、筒内圧を取得する筒内圧センサが設置されていない内燃機関では、検出された音と、筒内圧が上昇する点火タイミングとの正確な相関関係の取得ができない。このため、検出した音に対して、ノッキング判定を行うべきタイミングである点火タイミングが正確に得られず、ノッキング有無の判定精度が低下するおそれがある。この課題の解決には、検出した信号に対して判定すべきタイミングを正確に考慮することが望ましい。上記ノッキング有無の他に内燃機関の周期的な運転状態の判定、また、検出した信号に対して判定すべきタイミングを正確に考慮することが望ましい。また、内燃機関の他に周期的な動作を含む機器の周期的な状態の判定でも同様である。
上記課題を解決する機器状態判定装置は、周期性のある動作を伴う機器の前記周期性のある動作に基づく物理量を示す信号としてサイクル毎に取得された各取得信号の特定のタイミングの信号状態に基づいて前記機器の状態を判定する機器状態判定装置であって、前記機器の基準となる条件での動作に基づく前記取得信号を前記サイクル毎に基準信号として取得する基準信号取得部と、前記機器の動作状態を判定するサイクルでの前記取得信号を判定信号として取得する判定信号取得部と、前記各基準信号の取得されたサイクル中の前記タイミングでの前記基準信号の集合に対する平均と分散とに基づいて基準モデルを作成するモデル作成部と、前記基準モデルの作成されたサイクル中の前記タイミングに対して、前記判定信号の取得されたサイクル中の前記タイミングを順次相対移動させると共に、前記相対移動毎の前記判定信号の前記基準モデルに対する一致の度合いを示す指標を算出する指標算出部と、前記一致の度合いが最大であることを示す指標に対応する相対移動に基づいて前記基準モデルに前記判定信号が同期する同期値を決定する同期値決定部と、を備え、前記同期値で移動させた前記タイミングでの前記判定信号に基づいて前記判定を行うことを要旨とする。
図1に示すように、ノッキング判定装置10は、データ収集装置5を介してエンジン1に関する物理量の変化に基づく情報を取得する。また、ノッキング判定装置10は、複数の取得信号に基づく値の比較により、ノッキング判定の対象とした取得信号(判定信号)がノッキングを示す信号であるか否かを判定するための演算を実行して、その演算結果をモニタ6等に出力する。
まず、図2を参照し、サイクル毎の音圧信号と、クランク角度に同期しているクランク軸同期信号Tcとの関係について説明する。
図4に示すように、ノッキング判定装置10は、データ収集装置5から入力した取得信号を同期させる同期処理を実行し、同期した各取得信号に基づく値の比較によってノッキング判定処理を行う。
管理部60は、取得信号から基準モデルを作成するための基準信号を取得する基準信号取得部61と、取得信号から判定信号を取得する判定信号取得部62と、記憶部20に記憶されている基準信号や判定信号等の整理を行うデータ整理部63とを備える。
基準信号取得部61は、進角量が「0」である基準信号L1を複数取得し、判定信号取得部62は、進角量が所定の値に変更されている判定信号L2を1つ取得する。このとき、基準信号L1も判定信号L2もIP信号に基づいて判定されるサイクル毎に取得信号として取得されているため、進角量の相違に応じて各サイクルの各タイミングにずれが含まれる。
信号選択部39は、対象信号及び判定信号を選択する所定の条件に基づいて、取得信号から対象信号や判定信号を選択する。また、信号選択部39は、対象信号や判定信号に含まれる音圧信号の決定された角度範囲(切出角度範囲)内の音圧信号を切り出す。
ノッキング判定部50は、判定信号がノッキングを示す信号であるか否かを判定する。
ところでノッキングは、気筒内の一種の共振現象であり、ノッキングが発生すると気筒内に衝撃波が発生し、その衝撃波に起因してエンジンから発せられる振動や音には、その気筒の、複数の固有振動数(共振周波数)の成分とそれらの高調波成分(特に2倍の周波数成分)が含まれる。バイスペクトルでf1=f2のバイスペクトルは、各周波数における2次の調和成分の大きさを反映している。
統計パラメータ算出部51は、全ての対象信号のバイスペクトルの分布が多次元確率分布であると仮定して、全ての対象信号のバイスペクトルのばらつきによる平均と分散共分散とを統計パラメータとして推定(算出)する。例えば、複数の対象信号の各々で算出した振動モード別の特徴量から絶対値を算出し、複数の対象信号に対する平均値及び分散共分散行列を算出する。この平均値及び分散共分散行列を使用することで、複数の対象信号に対するマハラノビス距離を算出できる。
判定値算出部53は、対象信号のバイスペクトルから得られた正規化後の集合と、判定信号のバイスペクトルから得られた正規化後の値との乖離の度合いを判定する判定値を算出する。ここで、複数の対象信号のバイスペクトルから得られた正規化後の集合は、各対象信号のバイスペクトルについて算出したマハラノビス距離の集合である。また、判定信号のバイスペクトルから得られた正規化後の値は、判定信号のバイスペクトルについて算出したマハラノビス距離の値である。
ところで本実施形態では、基準モデルの分散が小さい部分を重視してスコアリングを行う。例えば、図11において、範囲D1のうち、分散の大きい部分に対する比較結果よりも、分散の小さい部分に対する比較結果を重視したスコアリングが式(3)により行われる。すなわち、上記式(3)を用いてスコアリングを行うことで分散が小さい部分を重視したスコアリングが行えるようになる。換言すると、基準モデルに含まれる分散の大きい部分の影響を小さくすることができる。これに対し、従来の技術、例えば、相互相関によるスコアリングは、大きな値が重視されるスコアリングであるため、大きな値が重視されて外乱に弱く、強度の変動が大きい音に対して一致判定の精度が高められない。また例えば、二乗誤差によるスコアリングも、大きな値の一致度を重視したスコアリングであるため、基準モデルに含まれるはずれ値の影響が大きくなり、やはり一致判定の精度が高められない。
図15のグラフL16は、判定信号のタイミングをシフト範囲H1の範囲内でステップ量毎に移動し算出された指標値の一例を示す。例えば、判定信号がシフト範囲H1を移動されたとき、シフトされた量に応じて算出される指標値が異なる。グラフL16では、シフト範囲H1の端である「−α°」や最大値「+α°」に近いタイミングにシフトされたときの指標値よりも、シフト範囲H1の中央に近いタイミングにシフトされたときの指標値の方が相対的に大きく得られる例である。そして、グラフL16では、シフト量が「β°」のとき、指標の最大値「Smax」となっている。
図16に示すように、シフト量決定処理(ステップS24)が実行されると、確率最大化部34のシフト量決定部36は、指標値の最大値を選択する(ステップS40)。指標値の最大値は、記憶部20の指標値領域204から最大のものが選択される。例えば、図15のグラフL16に示す指標値が指標値領域204に保持されているとき、指標の最大値「Smax」が選択される。そして、確率最大化部34のシフト量決定部36は、選択された指標の最大値に対応するシフト量を選択する(ステップS41)。すなわち、選択された指標に対応付けられているシフト量が取得されている。例えば、図15のグラフL16に示す指標の最大値「Smax」に対応付けられているシフト量「β°」が選択される。
選択したシフト量が適正であると判定された場合(ステップS42でYES)、確率最大化部34のシフト量決定部36は、選択したシフト量を判定信号に対するシフト量として決定する(ステップS43)。これにより、選択したシフト量が、判定信号に対するシフト量として記憶部20のシフト量領域205に保持される。そして、シフト量決定処理が終了される。
(1)エンジン1に周期的に生じる状態をサイクルごとに検出して取得信号とし、この取得信号に基づいてエンジン1の状態を判定する。このとき、エンジン1の状態を判定するために得た取得信号からなる判定信号を、対比の基準として得た取得信号からなる基準信号に比較するとき、判定信号と基準信号との各サイクルのタイミングを一致(同期)させる必要がある。そこで、本実施形態では、判定信号の基準信号に対するタイミングのずれが基準モデルに対する一致の度合いの高いときの相対移動からシフト値として算出した。そして、この算出したシフト値で判定信号のタイミングを移動させることで、比較する基準モデルとの関係においてサイクルが同期され、取得されたサイクル中のタイミングも一致するようになる。これにより、検出した信号に対して判定すべきタイミングをより正確に推定することができる。
(3)取得信号に推定同期信号Tipが含まれていることから、推定同期信号Tipを目安に判定信号と基準モデルとを比較することが可能になるが、推定同期信号Tipの精度が高くない場合もある。そこで、推定同期信号Tipを含むシフト範囲H1に相対移動量を設定することで、同期信号の精度が高くない場合でも、基準モデルに対して判定信号を判定すべきタイミングをより正確に推定することができる。
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、判定信号に対するノッキングの有無の判定が、信号選択部39、スペクトル算出部40、バイスペクトル算出部41、及び、ノッキング判定部50による処理を通じて行われる場合について例示した。しかしこれに限らず、判定信号に対してノッキングの有無を判定することができるのであれば、その他の判定方法によってノッキングの有無が判定されてもよい。例えば、最も簡単に、判定信号の特定のタイミングに含まれる信号の大きさやスペクトルの状態からノッキングの有無を判定してもよい。また、上述した信号選択部39、スペクトル算出部40、バイスペクトル算出部41、及び、ノッキング判定部50による処理のうち、バイスペクトル算出部41による処理を割愛したり、ノッキング判定部50における処理を変更可能な範囲で変更し、ノッキングを判定するようにしてもよい。
Claims (14)
- 周期性のある動作を伴う機器の前記周期性のある動作に基づく物理量を示す信号としてサイクル毎に取得された各取得信号の特定のタイミングの信号状態に基づいて前記機器の状態を判定する機器状態判定装置であって、
前記機器の基準となる条件での動作に基づく前記取得信号を前記サイクル毎に基準信号として取得する基準信号取得部と、
前記機器の動作状態を判定するサイクルでの前記取得信号を判定信号として取得する判定信号取得部と、
前記各基準信号の取得されたサイクル中の前記タイミングでの前記基準信号の集合に対する平均と分散とに基づいて基準モデルを作成するモデル作成部と、
前記基準モデルの作成されたサイクル中の前記タイミングに対して、前記判定信号の取得されたサイクル中の前記タイミングを順次相対移動させると共に、前記相対移動毎の前記判定信号の前記基準モデルに対する一致の度合いを示す指標を算出する指標算出部と、
前記一致の度合いが最大であることを示す指標に対応する相対移動に基づいて前記基準モデルに前記判定信号が同期する同期値を決定する同期値決定部と、を備え、
前記同期値で移動させた前記タイミングでの前記判定信号に基づいて前記判定を行う
機器状態判定装置。 - 前記指標算出部は、前記指標を前記基準モデルの分散が大きいタイミングにおける一致の度合いよりも分散が小さいタイミングにおける一致の度合いを重視して算出する
請求項1に記載の機器状態判定装置。 - 前記指標算出部は、前記判定信号の取得されたサイクル中のタイミングを前記判定信号が取得されたときに定まるタイミングを含む所定の範囲内で順次相対移動させる
請求項1又は2に記載の機器状態判定装置。 - 前記取得信号には、取得されたサイクル中のタイミングの目安となる同期信号が対応付けられており、
前記指標算出部は、前記判定信号の取得されたサイクル中のタイミングを前記判定信号の前記同期信号のタイミングと前記基準モデルの前記同期信号のタイミングとを一致させたタイミングを含む所定の範囲で順次相対移動させる
請求項1又は2に記載の機器状態判定装置。 - 前記モデル作成部は、前記基準信号のうち所定のタイミングからなる範囲に対応する基準モデルを作成し、
前記指標算出部は、前記判定信号のうち前記所定のタイミングからなる範囲について前記基準モデルに対する前記指標を算出する
請求項1〜4のいずれか一項に記載の機器状態判定装置。 - 前記指標算出部は、前記指標を前記基準モデルの平均値のとき最大値となり、前記平均値から離れることに応じて小さくなるように算出し、
前記同期値決定部は、前記指標の最大値を前記一致の度合いが最大であるものとする
請求項1〜5のいずれか一項に記載の機器状態判定装置。 - 前記機器は内燃機関であり、
前記サイクルは前記内燃機関の燃焼サイクルであり、
前記同期信号は前記内燃機関の点火プラグへ電力が供給されることで得られる信号である
請求項4に記載の機器状態判定装置。 - 周期性のある動作を伴う機器の前記周期性のある動作に基づく物理量を示す信号としてサイクル毎に取得した各取得信号の特定のタイミングの信号状態に基づいて前記機器の状態を判定する機器状態判定装置で実行される機器状態判定方法であって、
機器状態判定装置は、
前記機器の基準となる条件での動作に基づく前記取得信号を前記サイクル毎の基準信号として取得する基準信号取得工程と、
前記機器の動作状態を判定するサイクルでの前記取得信号を判定信号として取得する判定信号取得工程と、
前記各基準信号の取得されたサイクル中の前記タイミングでの前記基準信号の集合に対する平均と分散とに基づいて基準モデルを作成するモデル作成工程と、
前記基準モデルの作成されたサイクル中の前記タイミングに対して、前記判定信号の取得されたサイクル中の前記タイミングを順次相対移動させると共に、前記相対移動毎の前記判定信号の前記基準モデルに対する一致の度合いを示す指標を算出する指標算出工程と、
前記一致の度合いが最大であることを示す指標に対応する相対移動に基づいて前記基準モデルに前記判定信号が同期する同期値を決定する同期値決定工程と、を備え、
前記同期値で移動させた前記タイミングでの判定信号に基づいて前記判定を行う
機器状態判定方法。 - 内燃機関の燃焼サイクルに基づく物理量を示す信号としてサイクル毎に取得された各取得信号の特定のタイミングの信号状態に基づいて前記内燃機関のノッキングの有無を判定するノッキング判定装置であって、
前記内燃機関の基準となる条件での動作に基づく前記取得信号を前記サイクル毎に基準信号として取得する基準信号取得部と、
前記内燃機関の動作状態を判定するサイクルでの前記取得信号を判定信号として取得する判定信号取得部と、
前記各基準信号の取得されたサイクル中の前記タイミングでの前記基準信号の集合に対する平均と分散とに基づいて基準モデルを作成するモデル作成部と、
前記基準モデルの作成されたサイクル中の前記タイミングに対して、前記判定信号の取得されたサイクル中の前記タイミングを順次相対移動させると共に、前記相対移動毎の前記判定信号の前記基準モデルに対する一致の度合いを示す指標を算出する指標算出部と、
前記一致の度合いが最大であることを示す指標に対応する相対移動に基づいて前記基準モデルに前記判定信号が同期する同期値を決定する同期値決定部と、を備え、
前記同期値で移動させた前記タイミングでの前記判定信号に基づいて前記判定を行う
ノッキング判定装置。 - 前記指標算出部は、前記指標を前記基準モデルの分散が大きいタイミングにおける一致の度合いよりも分散が小さいタイミングにおける一致の度合いを重視して算出する
請求項9に記載のノッキング判定装置。 - 前記指標算出部は、前記判定信号の取得されたサイクル中のタイミングを前記判定信号が取得されたときに定まるタイミングを含む所定の範囲内で順次相対移動させる
請求項9又は10に記載のノッキング判定装置。 - 前記取得信号には、取得されたサイクル中のタイミングの目安となるイグニッションパルスに対応する信号が同期信号として対応付けられており、
前記指標算出部は、前記判定信号の取得されたサイクル中のタイミングを前記判定信号の前記同期信号のタイミングと前記基準モデルの前記同期信号のタイミングとを一致させたタイミングを含む所定の範囲で順次相対移動させる
請求項9又は10に記載のノッキング判定装置。 - 前記モデル作成部は、前記基準信号から前記燃焼サイクル中の所定のタイミング範囲に対応する基準モデルを作成し、
前記指標算出部は、前記判定信号のうち前記所定のタイミング範囲について前記基準モデルに対する前記指標を算出する
請求項9〜12のいずれか一項に記載のノッキング判定装置。 - 前記指標算出部は、前記指標を前記基準モデルの平均値のとき最大値となり、前記平均値から離れることに応じて小さくなるように算出し、
前記同期値決定部は、前記指標の最大値を前記一致の度合いが最大であるものとする
請求項9〜13のいずれか一項に記載のノッキング判定装置。
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