JP6687403B2 - ノックセンサの状態を導出するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
本明細書で開示される主題は、ノックセンサに関し、より具体的には、部品状態を検出するために大型の多シリンダ燃焼エンジンに装着されるノックセンサに関する。
燃焼エンジンは、通常、天然ガス、ガソリン、およびディーゼル燃料等の炭素質燃料を燃焼させ、高温高圧ガスの対応する膨張を用いて、エンジンの特定の部品、たとえばシリンダ内に配置されたピストンに力を加えて、ある距離にわたってその部品を移動させる。各シリンダは、炭素質燃料の燃焼と相関して開閉する１つまたは複数のバルブを含むことができる。たとえば、吸気バルブは、空気などの酸化剤をシリンダ内に導くことができ、酸化剤は燃料と混合されて燃焼される。それから燃焼流体、たとえば高温ガスは、排気バルブを通ってシリンダから出るように導くことができる。したがって、炭素質燃料は、負荷を駆動するのに有用な機械的な運動に変換される。たとえば、負荷は、電力を生成する発電機であってもよい。
ノックセンサは、多シリンダ燃焼エンジンをモニターするために使用することができる。ノックセンサは、エンジンシリンダの外部に装着することができ、エンジンが要望通りに走行しているか否かを判定するために使用することができる。ノックセンサは、通常、ノックセンサのインピーダンスを測定することによって調べられ、それはエンジンを停止させることを必要とする場合がある。ノックセンサのインピーダンスを測定することは、ノックセンサが存在するかどうかを示すだけであって、ノックセンサが適切に機能しているかどうか、あるいは正しく配線されているかどうかを示さない。ノックセンサの状態の導出を改良することが望ましい。
最初に請求する本発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は特許請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、むしろ、これらの実施形態は本発明の可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本発明は、以下に記載する実施形態に類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
第１の実施形態では、ノックセンサを診断する方法は、エンジンに結合されたノックセンサからデータを受信するステップと、データから１つまたは複数の事象を導出するためにデータを処理するステップと、１つまたは複数の事象が既知の時刻または既知のクランク角位置で生じたか否かを判定するステップと、を含む。
第２の実施形態では、システムは、エンジンを制御するように構成されたエンジン制御部を含み、エンジン制御部はプロセッサを有する。プロセッサは、エンジンに結合されるように構成されたノックセンサにより検出されたノイズ信号を受信し、ノイズ信号から燃焼シグネチャ、バルブシグネチャ、および１つまたは複数の事象を導出するためにノイズ信号を処理し、１つまたは複数の事象が既知の時刻、または既知のクランク角位置、またはこれらの組み合わせで生じたか否かを判定するように構成される。
第３の実施形態では、非一時的なコンピュータ可読媒体は、実行された場合にプロセッサに対して、エンジンに結合されるように構成されたノックセンサからエンジンノイズデータを受信させ、データから燃焼シグネチャを導出し、バルブシグネチャを導出し、１つまたは複数の事象を導出するためにエンジンノイズデータを処理させ、１つまたは複数の事象のうちのどれが既知の時刻または既知のクランクシャフト角でエンジンの動作中に発生しているかを判定するために、ルックアップテーブルを使用させる実行可能命令を含む。ルックアップテーブルは、第１行および第１列を含み、第１列は時刻またはクランク角に対応し、第１行はテーブル事象または振幅に対応する。
本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。
以下で、本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトのような実際の実施の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、たとえばシステム関連および事業関連の制約条件への対応等実施に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施毎に異なる可能性があることが理解されるべきである。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかり得るが、にもかかわらず、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることが理解されるべきである。
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は１つまたは複数の要素があることを意味するものである。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」、および「ｈａｖｉｎｇ（有する）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味している。
燃焼エンジンに装着されたノックセンサが作動しているか否かなどの特定の状態を判定することは、通常、燃焼エンジンを停止させて、センサのインピーダンスを調べることを含む。ノックセンサのインピーダンスを測定することは、ノックセンサが存在するか否かを示すだけであって、センサが適切に機能しているかどうか、あるいは適切に配線されているかどうかを示さない。したがって、エンジンを停止させる必要なしに、ノックセンサによって取り込まれたデータを処理することにより、ノックセンサが適切に機能しているかどうか、および／または適切に配線されているかどうかを判定する方法を有することは有益であろう。たとえば、一実施形態では、１つまたは複数の行程にわたってノックセンサにより取り込まれたデータが、１つまたは複数のフィルタを通って、燃焼シグネチャおよびバルブシグネチャに対応するシグネチャを導出する。それから、事象（たとえば、燃焼、ピーク燃焼圧力、バルブ閉鎖、バルブ開放など）を信号から導出することができる。事象は既知の順序でかつ既知の時間間隔で起こるので、２つの信号の間の事象の位相を互いに比較して、あるいはルックアップテーブルと参照して、ノックセンサが適切に作動しているかどうか、および／または誤配線であるかどうかを判定することができる。
図面を参照すると、図１は、エンジン駆動発電システム８の一部の一実施形態のブロック図を示す。以下に詳細に説明するように、システム８は、１つまたは複数の燃焼室１２（たとえば、１、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１４、１６、１８、または２０以上の燃焼室１２）を有するエンジン１０（たとえば、往復内燃機関）を含む。空気供給１４は、空気、酸素、酸素を多くした空気、酸素を少なくした空気、またはこれらの任意の組み合せ等の加圧酸化剤１６を各燃焼室１２に供給するように構成される。燃焼室１２はまた、燃料供給１９から燃料１８（たとえば、液体および／または気体燃料）を受け取るように構成され、燃料空気混合気は、各燃焼室１２内で点火され燃焼する。高温加圧燃焼ガスは、各燃焼室１２に隣接するピストン２０をシリンダ２６内で直線的に動かし、ガスによって加えられた圧力を回転運動に変換して、シャフト２２を回転させる。さらに、シャフト２２は、負荷２４に結合することができ、負荷２４はシャフト２２の回転によって駆動される。たとえば、負荷２４は、発電機等の、システム１０の回転出力によって電力を発生することができる任意の適切な装置であってもよい。さらに、以下の説明では、酸化剤１６として空気を参照しているが、任意の適切な酸化剤を開示された実施形態で使用することができる。同様に、燃料１８は、たとえば天然ガス、付随石油ガス、プロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、石炭坑内ガス等の任意の適切な気体燃料であってもよい。
本明細書に開示されるシステム８は、固定用途（たとえば、工業用発電エンジン）または移動用途（たとえば、自動車または航空機）に適合させることができる。エンジン１０は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン、５ストロークエンジン、または６ストロークエンジンであってもよい。エンジン１０はまた、任意の数の（たとえば、１〜２４の）燃焼室１２、ピストン２０、および関連するシリンダを含んでもよい。たとえば、特定の実施形態では、システム８は、シリンダ内で往復運動する４、６、８、１０、１６、または２４以上のピストン２０を有する大規模な産業用往復エンジンを含んでもよい。いくつかのそのような事例では、シリンダおよび／またはピストン２０は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）の直径を有することができる。いくつかの実施形態では、シリンダおよび／またはピストン２０は、約１０〜４０ｃｍ、１５〜２５ｃｍ、または約１５ｃｍの直径を有することができる。システム８は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を生成することができる。いくつかの実施形態では、エンジン１０は、約１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で動作することができる。いくつかの実施形態では、エンジン１０は、約２０００ＲＰＭ、１９００ＲＰＭ、１７００ＲＰＭ、１６００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１４００ＲＰＭ、１３００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、９００ＲＰＭ、または７５０ＲＰＭ未満で動作することができる。いくつかの実施形態では、エンジン１０は、約７５０〜２０００ＲＰＭ、９００〜１８００ＲＰＭ、または１０００〜１６００ＲＰＭで動作することができる。いくつかの実施形態では、エンジン１０は、約１８００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、または９００ＲＰＭで動作することができる。例示的なエンジン１０は、たとえば、ゼネラルエレクトリック社のＪｅｎｂａｃｈｅｒエンジン（たとえば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒタイプ２、タイプ３、タイプ４、タイプ６、またはＪ９２０ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａエンジン（たとえば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ，２７５ＧＬ）を含むことができる。
駆動される発電システム８は、エンジン「ノック」を検出するのに適した１つまたは複数のノックセンサ２３を含むことができる。ノックセンサ２３は、デトネーション、プレイグニッション、および／またはピンギングに起因する振動などの、エンジン１０によって生じる振動を検出することができる。ノックセンサ２３は、エンジン制御部（ＥＣＵ）２５に通信可能に結合されて示されている。動作中、ノックセンサ２３からの信号は、ＥＣＵ２５に伝達されて、ノッキング状態（たとえば、ピンギング）が存在するかどうかを判定する。それから、ＥＣＵ２５は、ノッキング状態を改善または除去するために、特定のエンジン１０のパラメータを調整することができる。たとえば、ＥＣＵ２５は、ノッキングを取り除くために、点火時期を調整し、および／または過給圧を調整することができる。本明細書でさらに説明するように、ノックセンサ２３は、たとえばノックセンサ自体に関連する状態を含む望ましくないエンジン状態を検出するために、特定の振動をさらに解析し分類すべきであることをさらに導出することができる。実際、ノックセンサデータの特定の行程を解析することによって、本明細書で説明する技術は、ノックセンサが正しく配線されているか否か、およびノックセンサが適切に機能しているか否かを導出することができる。
図２は、レシプロエンジン１０のシリンダ２６（たとえば、エンジンシリンダ）内に配置されたピストン２０を有するピストンアセンブリの一実施形態の側断面図である。シリンダ２６は、円筒形キャビティ３０（たとえば、ボア）を画定する内側環状壁２８を有する。ピストン２０は、軸方向の軸線または軸方向３４、半径方向の軸線または半径方向３６、および円周方向の軸線または円周方向３８によって規定され得る。ピストン２０は、頂部４０（たとえば、頂部）を含む。頂部４０は、一般的に、ピストン２０の往復運動中に燃料１８および空気１６、すなわち燃料空気混合気３２が燃焼室１２から抜けることを阻止する。
図示するように、ピストン２０は、コンロッド５６およびピン５８を介してクランクシャフト５４に取り付けられている。クランクシャフト５４は、ピストン２０の往復直線運動を回転運動に変換する。上述したように、ピストン２０が動くと、クランクシャフト５４が回転して、負荷２４（図１に示す）に動力を供給する。図示するように、燃焼室１２は、ピストン２０の頂部４０に隣接して配置される。燃料噴射器６０は、燃料１８を燃焼室１２に供給し、吸気バルブ６２は、燃焼室１２への空気１６の供給を制御する。排気バルブ６４は、エンジン１０からの排気の排出を制御する。しかし、燃料１８および空気１６を燃焼室１２に供給するための、および／または排気を排出するための、任意の適切な要素および／または技術を利用することができ、また、いくつかの実施形態では、燃料噴射が使用されないことを理解すべきである。動作中には、燃焼室１２内の空気１６および燃料１８の燃焼によって、シリンダ２６のキャビティ３０内でピストン２０がシャフト方向３４に往復（たとえば前後に）運動する。
動作中に、ピストン２０がシリンダ２６内の最上点にある時は、それは上死点（ＴＤＣ）と呼ばれる位置にある。ピストン２０がシリンダ２６の最下点にある時は、それは下死点（ＢＤＣ）と呼ばれる位置にある。ピストン２０が上部から底部へまたは底部から上部へ動くにつれて、クランクシャフト５４は半回転する。ピストン２０の上部から底部へまたは底部から上部へのそれぞれの動きは、ストロークと呼ばれ、エンジン１０の実施形態は、２ストロークエンジン、３ストロークエンジン、４ストロークエンジン５ストロークエンジン、６ストロークエンジン、またはそれ以上を含むことができる。
エンジン１０の動作中、吸気行程、圧縮行程、動力行程、および排気行程を含むシーケンスが通常発生する。吸気行程は、燃料および空気等の可燃混合気をシリンダ２６内に引き込むことができ、吸気バルブ６２が開いて、排気バルブ６４が閉じられる。圧縮行程は、可燃混合気を小空間内に圧縮するので、吸気バルブ６２および排気バルブ６４は共に閉じている。動力行程は、圧縮された混合気を点火するが、点火プラグシステムによる火花点火、および／または圧縮熱による圧縮点火を含むことができる。燃焼により生じた圧力は、ピストン２０を下死点に押し下げる。排気行程は、通常、排気バルブ６４が開いた状態でピストン２０を上死点に戻す。このようにして、排気行程は、排気バルブ６４を通して使用済の燃料空気混合気を排出する。シリンダ２６毎に２つ以上の吸気バルブ６２および排気バルブ６４を用いてもよい。
図示するエンジン１０はまた、クランクシャフトセンサ６６、ノックセンサ２３、およびエンジン制御部（ＥＣＵ）２５を含み、エンジン制御部（ＥＣＵ）２５はプロセッサ７２およびメモリ７４を含む。クランクシャフトセンサ６６は、クランクシャフト５４の位置および／または回転速度を検出する。したがって、クランク角度やまたはクランクタイミング情報を導出することができる。すなわち、燃焼エンジンをモニターする場合、タイミングは、クランクシャフト５４の角度で表現されることが多い。たとえば、４ストロークエンジン１０の全行程は、７２０°行程として測定することができる。ノックセンサ２３は、圧電式加速度計、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、ホール効果センサ、磁歪センサ、ならびに／または振動、加速度、音響、および／もしくは動きを検出するように設計された任意の他のセンサであってもよい。他の実施形態では、センサ２３は、ノックセンサでなくてもよく、振動、圧力、加速度、偏向、または運動を検出することができる任意のセンサであればよい。
エンジン１０の打撃的な性質のため、ノックセンサ２３は、シリンダ２６の外部に取り付けられた場合であっても、シグネチャを検出可能であり得る。しかし、ノックセンサ２３は、シリンダ２６内またはその周囲の様々な位置に配置することができる。さらに、いくつかの実施形態では、たとえば、１つまたは複数の隣接するシリンダ２６で１つのノックセンサ２３を共有してもよい。他の実施形態では、各シリンダ２６は、１つまたは複数のノックセンサ２３を含んでもよい。クランクシャフトセンサ６６およびノックセンサ２３は、エンジン制御部（ＥＣＵ）２５と電子的に通信するように示されている。ＥＣＵ２５は、プロセッサ７２およびメモリ７４を含む。メモリ７４は、プロセッサ７２により実行することができるコンピュータ命令を記憶することができる。ＥＣＵ２５は、たとえば、燃焼タイミング、バルブ６２、６４のタイミングを調整すること、ならびに燃料および酸化剤（たとえば、空気）の供給を調整することにより、エンジン１０の動作をモニターし、制御する。
有利なことに、本明細書で説明される技術は、ＥＣＵ２５を用いて、クランクシャフトセンサ６６およびノックセンサ２３からデータを受信し、そしてクランクシャフト５４位置に対してノックセンサ２３データをプロットすることによって「ノイズ」シグネチャを作成することができる。それからＥＣＵ２５は、燃焼およびバルブ事象に対応するシグネチャを導出し、次いでシグネチャから事象を導出することができる。ＥＣＵ２５は次に、以下でより詳細に説明するように、モデルまたはルックアップテーブルに対して、既知のクランク角および時限点火に対するこれらの事象の位相を調べることができる。それからＥＣＵ２５は、ノックセンサが適切に作動しているかどうか、および／または適正なシリンダに接続されているかどうかを導出することができる。ノックセンサが正しく配線されているかどうか、およびノックセンサが適切に機能しているかどうかを導出することにより、本明細書で説明する技術は、エンジン１０のより最適でより効率的な動作およびメンテナンスを可能にすることができる。
ノックセンサ２３からのデータが収集されると、１つまたは複数のフィルタがデータに適用されて、燃焼シグネチャ７６（すなわち、燃焼事象に起因するノイズ）およびバルブシグネチャ７８（すなわち、バルブ６２、６４の運動に起因するノイズ）を導出することができる。図６に関してより詳細に述べるように、燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８は、サンプリングしたデータに対して、フィルタ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、または他のデジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を適用することによって導出することができる。たとえば、ＥＣＵ２５は、１２００Ｈｚのローパスフィルタまたは０．５Ｈｚ〜１２００Ｈｚのバンドパスフィルタを適用することによって、燃焼シグネチャ７６を導出することができる。バルブシグネチャは、１２ｋＨｚ〜１８ｋＨｚのバンドパスフィルタを用いて導出することができる。図３は、第１の完全な吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程にわたる燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８のサンプルプロット８０の一実施形態である。ｘ軸８２は、秒を単位とする時間で示してあるが、クランク角（図４参照）で示してもよい。左側のｙ軸８４はバルブシグネチャ７８に対応し、右側のｙ軸８６は燃焼シグネチャ７６に対応する。ｙ軸８４、８６の各々は、ノイズシグネチャ７６、７８の振幅を示している。測定技術およびユーザの選択に応じて、単位はｄＢ、ボルト、または他のいくつかの単位であってもよい。２つのシグネチャ７６、７８の振幅が異なるので、ｙ軸８４、８６のスケールが異なっていることに留意されたい。図３は、たとえば、図６に関してより詳細に説明する処理によりデータ処理することができるデータを説明する図である。図３のデータは、ＥＣＵ２５がデジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を用いてデータから燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８を導出すると、ノックセンサ２３およびクランク角センサ６６を介して送信されるデータを含むことができる。
燃焼シグネチャ７６は、測定されたシリンダ２６および組み合わせ相手のシリンダ（すなわち、測定されたシリンダ２６に対して位相が３６０度ずれているエンジンのシリンダ）の両方のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）などの重要な燃焼事象を含む。バルブシグネチャ７８は、吸気バルブ６２と排気バルブ６４のバルブ閉鎖を含む。ＰＦＰなどのいくつかの燃焼事象は、燃焼シグネチャおよびバルブシグネチャの両方に現れる場合がある。図３は、１つの完全な燃焼行程よりも少しだけ多く、すなわちクランクシャフト５４における７２０度の回転（完全な２回転）を示している。各行程は、吸気、圧縮、燃焼、および排気を含む。
図４は、第１の完全な吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程にわたる燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８のプロット８８の一実施形態であって、事象を重ね合わせてある。ｘ軸９０は、度を単位とするクランク角で示している。これは、クランクシャフトセンサ６６からサンプリングされたデータとノックセンサ２３からサンプリングされたデータとのタイミングを合わせることにより行われる。エンジンタイミングは、一般的にクランク角の度数で表すが、いくつかの実施形態では、図３のようにＸ軸を時間（たとえば、秒）で表してもよい。図３のように、プロット８８の左側のｙ軸９２はバルブシグネチャ７８に対応し、プロット８８の右側のｙ軸９４は燃焼シグネチャ７６に対応する。ｙ軸９２、９４はノイズの振幅を表し、測定技術およびユーザの選択に応じて、単位はｄＢ、ボルト、または他のいくつかの単位であってもよい。図３と同様に、２つのシグネチャの振幅が異なるので、２つのｙ軸９２、９４のスケールが異なっている。事象は、時限点火９６、モニターされるシリンダ２６のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）９８、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００、吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）１０２、および排気バルブ閉鎖（ＥＶＣ）１０４を含む。組み合わせ相手のシリンダは、測定されたシリンダ２６に対して位相が３６０度ずれたエンジンのシリンダである（すなわち、組み合わせ相手のシリンダと測定されたシリンダとのピストンは同じ位置にあるが、シリンダは燃焼行程の位相が逆になっている）。ＥＣＵ２５が点火タイミングを制御しているので、時限点火９６のタイミングは既知である。点火が吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）１０２と燃焼（ＰＦＰ）９８との間で発生することは既知であるので、ＥＣＵ２５は、ノックセンサ２３の信号の事象のシーケンスを点火９６の既知のタイミングと比較することにより、ノックセンサ２３からの信号の位相を調べることができる。これについては、図５および図６を説明する際により詳細に説明する。燃焼シグネチャ７６の振幅の増加は、測定されたシリンダ２６および組み合わせ相手のシリンダの燃焼事象に起因するものである。予想されるように、測定されたシリンダ２６の燃焼事象の振幅は、組み合わせ相手のシリンダの燃焼事象よりも大きい。燃焼シグネチャ７６の振幅のピークは、測定されたシリンダ２６のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）９８、および組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００を表している。バルブシグネチャ７８の振幅の増加は、吸気バルブ６２のバルブ閉鎖（ＩＶＣ、１０２）および排気バルブ６４のバルブ閉鎖（ＥＶＣ１０４）を表している。バルブシグネチャ７８はまた、測定されたシリンダ２６のＰＦＰ９８および組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００に起因する振幅の増加を示すことができる。これらの事象は、既知の順序（すなわち、ＩＶＣ１０２、ＰＦＰ９８、ＥＶＣ１０４、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００、ＩＶＣ１０２など）で、既知のクランク角位置で生じ、異なる振幅を生成する（たとえば、測定されたシリンダ２６のＰＦＰ９８は、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００よりも大きな振幅を生成する）ので、ＥＣＵは、どの振幅の増加が特定の事象に対応するかを判定することができる。これについては、図６に関してさらに説明する。しかし、これらの事象は単なる例にすぎず、ＥＣＵ２５は、これらの事象の一部またはすべての事象を導出することができるし、また図４には示していない事象も導出することができることを理解されたい。
図５は、ノックセンサ２３が誤配線されている（すなわち、誤ったシリンダに配線されている）可能性があるために位相がずれている燃焼シグネチャ７６のプロット１０６の一実施形態である。ｘ軸１０８は、度を単位とするクランク角で示している。エンジンタイミングは、一般的にクランク角の度数で表すが、いくつかの実施形態では、図３のようにｘ軸を時間（たとえば、秒）で表してもよい。ｙ軸１１０は、ノイズ振幅を表している。測定技術およびユーザの選択に応じて、単位はｄＢ、ボルト、または他のいくつかの単位であってもよい。他の実施形態では、プロット１０６は、バルブシグネチャ７８、またはバルブシグネチャ７８および燃焼シグネチャ７６の両方を用いて作成することができることを理解されたい。しかし、明確にするために、図５では燃焼シグネチャ７６のみを示している。ＥＣＵ２５はノックセンサデータから独立して時限点火９６のタイミングを知っており、さらに時限点火９６が所与のクランクシャフト５４の角度で起こることが知られているので、ＥＣＵ２５は、燃焼シグネチャ７６（および／またはバルブシグネチャ７８）上に時限点火９６を重ねることができ、時限点火９６が信号の予想される場所（たとえば、測定されたシリンダのＰＦＰ９８の１８度前）に起こるかどうかに応じて、信号の位相（すなわち、事象のシーケンスおよびタイミング）が正しいかどうかを判定することができる。
信号の位相が正しくない場合には、ノックセンサが誤配線である（すなわち、誤ったシリンダに接続されている）可能性がある。ノックセンサ２３が誤配線である場合には、ＥＣＵ２５が事象を導出することができるが、その事象は予想されるクランク角で、または時限点火９６に対して発生しない。ノックセンサが誤配線である場合には、ＥＣＵ２５は、判定されたクランク角１１２または時間だけ信号をシフトし、その結果、時限点火９６が予想されるクランクシャフト５４の角度で発生する、シフトされたシグネチャ１１４が得られる。。シフト１１２が予想される時刻または角度における予想される事象を有する信号１１４をもたらす可能性があると判定することによって、本明細書で説明する技術は、ノックセンサの問題の計算上より効率的でより効果的な導出を提供することができる。前述したように、明確にするために、プロット１０６は燃焼シグネチャ７６のみを示しているが、バルブシグネチャ７８、またはフィルタリングされていないノックセンサ２３のデータに対して、同様のシフトを行うことができる。実際、様々なシグネチャ（たとえば、符号７６、７８）を位相シフトすることにより、ノックセンサの問題を検出することができる。
図６は、ノックセンサ２３が機能していない場合、および／または誤配線である場合などのノックセンサ２３の特定の状態を判定するための処理１２２の一実施形態を示すフローチャートである。処理１２２は、メモリ７４に格納されたコンピュータ命令または実行可能コードとして実現することができ、ＥＣＵ２５のプロセッサ７２によって実行可能であり得る。ブロック１２４では、ノックセンサ２３およびクランクシャフトセンサ６６を用いてデータのサンプルが取得される。たとえば、センサ６６、２３は、信号またはデータを収集し、それから信号またはデータをＥＣＵ２５に送信する。処理１２２は、次に、データ収集の開始時およびデータ収集の終了時のクランクシャフト５４の角度、ならびに最大振幅と最小振幅との時刻および／またはクランクシャフト５４の角度、あるいは信号内の中間の場所を導出し、記録することができる。
ブロック１２６では、処理１２２は、図３に示すように、記録された様々な行程について、データを処理して燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８を導出する。ブロック１２６は、フィルタ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、または他のデジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を適用して、燃焼シグネチャ７６とバルブシグネチャ７８を導出することを含むことができる。たとえば、処理１２２は、１２００Ｈｚまたは燃焼事象について検出することができる他の自然周波数のローパスフィルタを適用することによって、燃焼シグネチャ７６を導出することができる。ローパスフィルタは、９００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、１１００Ｈｚ、１３００Ｈｚ、１４００Ｈｚ、または１５００Ｈｚであってもよい。あるいは、処理１２２は、０．５Ｈｚ〜１２００Ｈｚのバンドパスフィルタを適用することによって、燃焼シグネチャを導出することができる。同様に、バンドパスフィルタの上端および下端は、変えることができる。たとえば、バンドパスフィルタの下端は、０．１Ｈｚ、０．３Ｈｚ、１Ｈｚ、３Ｈｚ、５Ｈｚ、または１０Ｈｚであってもよい。バンドパスフィルタの上端は、９００Ｈｚ、１０００Ｈｚ、１１００Ｈｚ、１３００Ｈｚ、１４００Ｈｚ、または１５００Ｈｚであってもよい。バルブシグネチャは、１２ｋＨｚ〜１８ｋＨｚのバンドパスフィルタを用いて導出することができる。この場合も、バンドパスフィルタの上端および下端は変えることができる。たとえば、バンドパスフィルタの下端は、９ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、１１ｋＨｚ、１３ｋＨｚ、または１５ｋＨｚであってもよい。バンドパスフィルタの上端は、１６ｋＨｚ、１７ｋＨｚ、１９ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、または２１ｋＨｚであってもよい。一般に、燃焼シグネチャ７６は、バルブシグネチャ７８よりも低い周波数の信号になる。
ブロック１２８では、処理１２２は、図４に示すように、既知のクランクシャフト５４の角度および時限点火９６を用いて事象の集合を導出する。事象は、時限点火９６、モニターされるシリンダ２６のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）９８、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００、吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）１０２、および排気バルブ閉鎖（ＥＶＣ）１０４を含む。ＥＣＵ２５が点火タイミングを制御しているので、時限点火９６のタイミングは既知である。燃焼シグネチャ７６の振幅の増加は、測定されたシリンダ２６および組み合わせ相手のシリンダの燃焼事象に起因するものである。予想されるように、測定されたシリンダ２６の燃焼事象の振幅は、組み合わせ相手のシリンダの燃焼事象よりも大きい。燃焼シグネチャ７６の振幅のピークは、測定されたシリンダ２６のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）９８、および組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００を表している。バルブシグネチャ７８の振幅のピークは、吸気バルブ６２の閉鎖（ＩＶＣ、１０２）および排気バルブ６４の閉鎖（ＥＶＣ１０４）を表している。バルブシグネチャ７８の振幅はまた、測定されたシリンダ２６のＰＦＰ９８および組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００に起因するピークを有する場合がある。これらの事象は、既知の順序（すなわち、ＩＶＣ１０２、ＰＦＰ９８、ＥＶＣ１０４、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００、ＩＶＣ１０２など）で、既知のクランク角位置で、かつ既知の時限点火９６に対して生じ、異なる振幅を生成する（たとえば、測定されたシリンダ２６のＰＦＰ９８は、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００よりも大きな振幅を生成する）ので、処理１２２は、どの振幅の増加が特定の事象に対応するかを判定することができる。
ブロック１３０では、処理１２２は、ルックアップテーブル、モデル、またはＥＣＵ２５のメモリ構成要素７４に格納された他のいくつかの予測ツールを用いて、既知のクランクシャフト５４の角度および時限点火９６に対して、燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８から位相（すなわち、タイミング、順序、および／または事象のシーケンス）を導出する。処理１２２は、クランクセンサ６６および既知の時限点火９６からのデータに基づいて、燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８の事象の位相を既知のクランクシャフト５４の角度および時限点火９６と比較し、それからルックアップテーブルまたはモデルを用いて、所与の時点でエンジン１０が何をしているべきかを判定する。ルックアップテーブルは、時刻、クランクシャフト角、時限点火９６、ＰＦＰ９８、ＩＶＣ１０２、ＥＶＣ１０４、他の事象、予想される振幅、または予想される振幅の範囲などを含むことができるいくつかの列および行を含むことができる。ＰＦＰ９８などの特定の事象は、燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８の両方に現れるので、処理１２２は、２つの信号の位相を互いに比較することにより、２つのシグネチャ７６、７８の位相を調べることができる。既知の事象が両方のシグネチャで同じ場所にある場合には、ノックセンサは破壊されていない可能性が高い。時限点火９６のタイミングがノックセンサ２３のデータから独立して知られているので、処理１２２はまた、燃焼シグネチャ７６またはバルブシグネチャ７８の上に時限点火を重ねて、導出された事象が時限点火９６に対して予想される時刻に発生するかどうかを判定することができる。処理１２２は、２つのシグネチャ７６、７８をルックアップテーブルまたはモデルと比較することができる。クランクシャフト５４の角度および時限点火９６は既知の変数なので、特定の事象がいつ発生するべきか、および／または予測される振幅もしくは振幅の範囲がどうであるべきかを予測するために、それらをルックアップテーブルまたはモデルに差し込むことができる。
判断１３２では、処理１２２は、ノックセンサ２３のデータから導出された燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８をルックアップテーブルまたはモデルと比較して、シグネチャ７６、７８が予想されたものと一致するか否かを判定する。たとえば、燃焼シグネチャ７６は、燃焼事象の間のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）９８の間にピーク振幅に到達することができる。同様に、バルブシグネチャ７８は、吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）１０２および排気バルブ６４閉鎖（ＥＶＣ）１０４の間にピーク振幅に到達することができる。処理１２２はまた、吸気バルブ６２の開放、排気バルブ６４の開放、ピストン２０の圧縮、またはエンジン１０の行程のその他の事象などの他の事象を識別することができる。バルブシグネチャ７８はまた、測定されたシリンダ２６の燃焼事象（たとえば、ＰＦＰ９８）、組み合わせ相手のシリンダの燃焼事象（たとえば、ＰＦＰ１００）、あるいはエンジン１０の他のシリンダを含んでもよい。
ブロック１３４では、燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８がクランクシャフト５４の角度と時限点火９６とに基づいて予想されるものと一致する場合には、ノックセンサ２３は適切に配線され、適切に作動していると判定される。燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８がクランクシャフト５４の位置と時限点火とに基づいて予想されるものと一致しない場合には、ノックセンサ２３は誤配線されているか、あるいは機能していない可能性がある。
判断１３６では、処理１２２は、シグネチャ７６、７８の位相を既知のクランクシャフト５４の角度と時限点火９６とに基づいてルックアップテーブルにより予測されるものに一致させようとして、シグネチャ７６、７８の位相を時間間隔１１２だけ前後にシフトさせる（図５に示すように）。センサが誤配線されている場合には、事象（すなわち、ＰＦＰ９８、ＩＶＣ１０２、ＥＶＣ１０４、組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ１００など）はシグネチャ７６、７８に存在するが、既知のクランクシャフト５４の角度および時限点火９６と適切に位相が合っていない。エンジン１０の各シリンダ２６の点火順序が既知である場合には、処理１２２は、シグネチャの位相を既知のクランクシャフト角および時限点火９６に一致させるために燃焼シグネチャ７６およびバルブシグネチャ７８をシフトさせる時刻またはクランク角の間隔１１２に基づいて、誤配線されているノックセンサ２３が結合されているシリンダを決定することができる。シグネチャ７６、７８をシフトさせた結果、信号と予測された位相とが一致（判断１３６）した場合には、処理１２２は、ブロック１３８で、ノックセンサ２３が誤配線されていると判定することができる。
しかし、シグネチャをシフトさせた結果、シグネチャ７６、７８と予測されたものとが一致（判断１３６）しない場合には、その信号がいずれの既知のパターンとも合わないランダムな影響を受けている可能性が高い。したがって、処理１２２は、ブロック１４０で、ノックセンサ２３が機能していないか、あるいは差し込まれていないと判定することができる。
本発明の技術的効果は、エンジンに結合されたノックセンサ２３からデータを受信することと、燃焼シグネチャおよびバルブシグネチャを導出するためにローパスフィルタおよびバンドパスフィルタを適用することによってデータを処理することと、シグネチャから１つまたは複数の事象を導出することと、ルックアップテーブルを用いて１つまたは複数の事象が既知の時刻または既知のクランク位置で生じたかどうかを決定することと、を含むノックセンサ２３の診断のためのシステムおよび方法を含む。事象が既知の時限点火に対して予期せぬクランク角または時刻に生じる場合には、ノックセンサが誤ったシリンダに配線されていると判定することができ、位相を補正するためにデータをシフトさせることができる。
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の字義通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の字義通りの文言と実質的な差異がない等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
８ エンジン駆動発電システム
１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 空気供給
１６ 空気、酸化剤
１８ 燃料
１９ 燃料供給
２０ ピストン
２２ シャフト
２３ ノックセンサ
２４ 負荷
２５ エンジン制御部（ＥＣＵ）
２６ シリンダ
２８ 内側環状壁
３０ 円筒形キャビティ
３２ 燃料空気混合気
３４ シャフト方向
３６ 半径方向の軸線または半径方向
３８ 円周方向の軸線または円周方向
４０ 頂部
５４ クランクシャフト
５６ コンロッド
５８ ピン
６０ 燃料噴射器
６２ 吸気バルブ
６４ 排気バルブ
６６ クランクシャフトセンサ、クランク角センサ
７２ プロセッサ
７４ メモリ、メモリ構成要素
７６ 燃焼シグネチャ
７８ バルブシグネチャ
８０ サンプルプロット
８２ ｘ軸
８４ ｙ軸
８６ ｙ軸
８８ プロット
９０ ｘ軸
９２ ｙ軸
９４ ｙ軸
９６ 時限点火
９８ ピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）
１００ 組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ
１０２ 吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）
１０４ 排気バルブ閉鎖（ＥＶＣ）
１０６ プロット
１０８ ｘ軸
１１０ ｙ軸
１１２ 判定されたクランク角、シフト、間隔
１１４ シフトされたシグネチャ、信号
１２２ 処理
１２４ ブロック
１２６ ブロック
１２８ ブロック
１３０ ブロック
１３２ 判断
１３４ ブロック
１３６ 判断
１３８ ブロック
１４０ ブロック
１０ エンジン
１２ 燃焼室
１４ 空気供給
１６ 空気、酸化剤
１８ 燃料
１９ 燃料供給
２０ ピストン
２２ シャフト
２３ ノックセンサ
２４ 負荷
２５ エンジン制御部（ＥＣＵ）
２６ シリンダ
２８ 内側環状壁
３０ 円筒形キャビティ
３２ 燃料空気混合気
３４ シャフト方向
３６ 半径方向の軸線または半径方向
３８ 円周方向の軸線または円周方向
４０ 頂部
５４ クランクシャフト
５６ コンロッド
５８ ピン
６０ 燃料噴射器
６２ 吸気バルブ
６４ 排気バルブ
６６ クランクシャフトセンサ、クランク角センサ
７２ プロセッサ
７４ メモリ、メモリ構成要素
７６ 燃焼シグネチャ
７８ バルブシグネチャ
８０ サンプルプロット
８２ ｘ軸
８４ ｙ軸
８６ ｙ軸
８８ プロット
９０ ｘ軸
９２ ｙ軸
９４ ｙ軸
９６ 時限点火
９８ ピーク燃焼圧力（ＰＦＰ）
１００ 組み合わせ相手のシリンダのＰＦＰ
１０２ 吸気バルブ閉鎖（ＩＶＣ）
１０４ 排気バルブ閉鎖（ＥＶＣ）
１０６ プロット
１０８ ｘ軸
１１０ ｙ軸
１１２ 判定されたクランク角、シフト、間隔
１１４ シフトされたシグネチャ、信号
１２２ 処理
１２４ ブロック
１２６ ブロック
１２８ ブロック
１３０ ブロック
１３２ 判断
１３４ ブロック
１３６ 判断
１３８ ブロック
１４０ ブロック
Claims (16)
- ノックセンサ（２３）を診断する方法であって、
エンジン（１０）に結合されるように構成された前記ノックセンサ（２３）からデータを受信するステップと、
前記データから１つまたは複数の事象を導出するために前記データを処理するステップと、
前記１つまたは複数の事象が既知の時刻および既知のクランク角位置の一方または両方で生じたか否かを判定するステップと、を含み、
前記１つまたは複数の事象が既知の時刻および既知のクランク角位置の一方または両方で生じたか否かを判定するステップは、前記１つまたは複数の事象のうちのどれが前記既知の時刻または前記既知のクランクシャフト角位置で前記エンジン（１０）の動作中に発生しているかを判定するために、ルックアップテーブルを用いるステップを含み、
前記ルックアップテーブルは、第１列および第１行を含み、
前記第１列は前記時刻または前記クランク角に対応し、前記第１行はテーブル事象または振幅を含み、
方法は、さらに、
前記データから導出された前記１つまたは複数の事象が前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致しない場合には、前記ノックセンサ（２３）から受信した前記データを位相シフトするステップと、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納されたテーブル事象と一致する前記データから導出された前記事象が得られた場合には、前記ノックセンサ（２３）が誤配線であることを導出するステップと、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する前記データから導出された前記事象が得られない場合には、前記ノックセンサ（２３）が機能していないことを導出するステップと、を含む方法。 - 前記１つまたは複数の事象を導出するために前記データを処理するステップは、前記データから燃焼シグネチャ（７６）およびバルブシグネチャ（７８）を導出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記燃焼シグネチャ（７６）は、ローパスフィルタを用いて導出される、請求項２に記載の方法。
- 前記燃焼シグネチャ（７６）および前記バルブシグネチャ（７８）の一方または両方は、バンドパスフィルタを用いて導出される、請求項２に記載の方法。
- 前記データから導出された前記１つまたは複数の事象が前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する場合には、前記ノックセンサ（２３）が適切に配線され作動していることを導出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記ルックアップテーブルに格納されたテーブル事象は、ピーク燃焼圧力事象、吸気バルブ閉鎖事象、または排気バルブ閉鎖事象を含む、請求項１に記載の方法。
- クランクシャフトセンサ（６６）からのクランクシャフト角データを受信するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- エンジン（１０）を制御するように構成されたエンジン制御部（ＥＣＵ）（２５）を含み、
前記ＥＣＵ（２５）は、
エンジン（１０）に結合されるように構成されたノックセンサ（２３）により検出されたノイズ信号を受信し、
前記ノイズ信号から燃焼シグネチャ（７６）、バルブシグネチャ（７８）、および１つまたは複数の事象を導出するために前記ノイズ信号を処理し、
前記１つまたは複数の事象が既知の時刻および既知のクランク角位置の一方または両方で生じたか否かを判定するように構成されたプロセッサ（７２）を含み、
前記ＥＣＵ（２５）は、さらに、
前記１つまたは複数の事象のうちのどれが前記既知の時刻または前記既知のクランクシャフト角で前記エンジン（１０）の動作中に発生しているかを判定するために、ルックアップテーブルを用いるように構成され、
前記ルックアップテーブルは、第１列および第１行を含み、
前記第１列は前記時刻または前記クランク角に対応し、前記第１行はテーブル事象または振幅を含み、
前記ＥＣＵ（２５）は、さらに、
前記データから導出された前記１つまたは複数の事象が前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致しない場合には、前記ノックセンサ（２３）から受信した前記データを位相シフトし、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納されたテーブル事象と一致する前記データから導出された前記事象が得られた場合には、前記ノックセンサ（２３）が誤配線であることを導出し、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する前記データから導出された前記事象が得られない場合には、前記ノックセンサ（２３）が機能していないことを導出するよう構成されている、システム（８）。 - 前記ＥＣＵ（２５）は、燃焼シグネチャ（７６）を導出するために、ローパスフィルタを適用するように構成される、請求項８に記載のシステム（８）。
- 前記ＥＣＵ（２５）は、前記燃焼シグネチャ（７６）および前記バルブシグネチャ（７８）の一方または両方を導出するために、バンドパスフィルタを適用するように構成される、請求項８に記載のシステム（８）。
- 前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象は、ピーク燃焼圧力事象、吸気バルブ閉鎖事象、または排気バルブ閉鎖事象を含む、請求項８に記載のシステム（８）。
- 前記ＥＣＵ（２５）は、クランクシャフトセンサ（６６）からのクランクシャフト角データを受信するようにさらに構成される、請求項８に記載のシステム（８）。
- 実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記実行可能命令は、実行された場合にプロセッサ（７２）に対して、
エンジン（１０）に結合されるように構成されたノックセンサ（２３）からエンジンノイズデータを受信させ、
前記データから燃焼シグネチャ（７６）を導出し、バルブシグネチャ（７８）を導出し、１つまたは複数の事象を導出するために前記エンジンノイズデータを処理させ、
前記１つまたは複数の事象のうちのどれが前記既知の時刻または前記既知のクランクシャフト角で前記エンジン（１０）の動作中に発生しているかを判定するために、ルックアップテーブルを使用させ、
前記ルックアップテーブルは、第１列および第１行を含み、
前記第１列は前記時刻または前記クランク角に対応し、前記第１行はテーブル事象または振幅に対応する、実行可能命令を含み、
前記実行可能命令は、実行された場合にプロセッサ（７２）に対して、さらに、
前記エンジンノイズデータから導出された前記１つまたは複数の事象が前記ルックアップテーブルにより予測された前記事象と一致しない場合には、前記エンジンノイズデータを位相シフトさせ、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する前記エンジンノイズデータから導出された前記事象が得られた場合には、前記ノックセンサ（２３）が誤配線であることを導出させ、
前記データを位相シフトした結果として、前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する前記エンジンノイズデータから導出された前記事象が得られない場合には、前記ノックセンサ（２３）が機能していないことを導出させる、非一時的コンピュータ可読媒体。 - 実行された場合にプロセッサ（７２）に対して、前記燃焼シグネチャ（７６）を導出するためにローパスフィルタを適用させる、請求項１３に記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
- 実行された場合にプロセッサ（７２）に対して、前記燃焼シグネチャ（７６）および前記バルブシグネチャ（７８）の一方または両方を導出するためにバンドフィルタを適用させる、請求項１３に記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
- 実行された場合にプロセッサ（７２）に対して、前記エンジンノイズデータから導出された前記１つまたは複数の事象が前記ルックアップテーブルに格納された前記テーブル事象と一致する場合には、前記ノックセンサ（２３）が適切に配線され作動していることを導出させる、請求項１３に記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。
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