JPH0357937A - 容積型機械の作動状態測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は容積型熱機関の状態測定方広および測定装置に
関するもので、特に、自動車用エンジンにおける図示平
均有効圧力を簡易的に測定するノｊ法および装置に関す
る。

ここで容積型機械とは、機械の中にある空間に１サイク
ルごとに積極的に作業流体を流入させて、その空間の体
積を境界面の移動によって動力や圧力を作り出すもので
ある。すなわち、容積型機械には熱機関に限らず、流体
機械（圧縮機、ポンプ、水カモータ、油圧モータ等）、
熱機関の逆サイクルによる冷凍機等も含まれる。

〔従来の技術〕

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悪化するため、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、高精度の
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Ｐｉをエン
ジン制御情報として用いることが有益であり、かつ望ま
れる。

この図示平均有効圧Ｐｉは、Ｐを燃焼室内圧力、■をそ
の容積、■　を行程容積として以下のようＳ に定義される。

これを実際に求めるには式（１）を離散化した次の（２
）式によってＰ１が算出されている。

ここで、Ｐ．は例えばＡ／Ｄ変換器により等クＪ ランク 角（例えば１°）ごとにサンプリングされたｎ　ｆｌｌ
Ｍのデータのうち上死点から数えてｊ番めの圧カデータ
、またＶ．はその時の燃焼室内容積を意味すＪ る。すなわち、指圧線図から読み取った圧力値とエンジ
ン諸元から定まる燃焼室内容積変化との債を、１サイク
ルにわたって数値積分すればよい。

（２〉式はマイクロプロセッサ等を用いて実行すること
ができ、このような方式による装置はＰ．１ メータとして市販されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この方法では、クランク角に同明させて
圧力データをサンプリングするＡ／Ｄ変換器や、角度に
対する容積のデータをメモリ内に持っていなければなら
ない。例えば４サイクルエンジンの場合で１″ごとにサ
ンプリングを行うものとすれば圧力と容積で合計７２０
個のデータを扱わなければならない。その結果、必然的
にメモリ容量と演算時間の増大を招く。

したがって、この方法は実験室用途としては十分であっ
ても現実の自動車用エンジンのＰ，制御１ 用には適用が困難である。

したがって、本発明は作動状態を表わす情報を、高速か
つ簡便に求めることのできる容積型機械の作動状態測定
方法およびそのための装置を提供することを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明にかかる容積型機械の作動状態測定方法によれば
、運転状態にある容積型機関における行程サイクルに関
連した波動の基本波成分およびその高調波成分を求め、
これらを合成して作動状態を表わす信号を求めることを
特徴としている。

容積型機械の作動状態を表わす信号が図示平均有効圧力
であると良い。

行程サイクルに関連した基本波成分およびその高調波成
分を求める過程は、指圧波形を含む信号をフィルタを通
すことにより得られることが好ましい。また各成分は振
幅あるいは位相単独でもよい。

フィルタが電気的帯域フィルタであってもよく、また指
圧波形に関連した機械的信号、例えば音信号から特定周
波数成分を求める機械的フィルタであっても良い。

高調波成分を求める過程が基本波成分およびその高調波
成分との関係を利用して基本波戊分を演算して求めるこ
ともできる。

容積型機械は往復動エンジンであっても回転エンジンで
あっても良い。

また、本発明にかかる容積型機械の状態ｉ’ｌｌＪ定装
置によれば、運転状態にある容積型熱機関の指圧波形か
ら基本波成分およびその高調波成分をそれぞれ取出す複
数のフィルタ手段と、このフィルタ手段の出力値のうち
行程サイクルに関連した値を保持する複数の保持手段と
、この複数の保持手段の出力を合成して作動状態を表わ
す信号を求める合或手段とを備えたことを特徴としてい
る。

フィルタ手段が帯域フィルタであると良く、その中心周
波数が機関のサイクル速度に応じて変化するものである
と好ましい。

〔作　用〕

発明者の研究によれば、指圧線図には種々の周波数成分
が含まれており、この中には熱機関状態に関連する情報
も含まれている。このため、特定成分を取り出すことに
より熱機関状態を表わす情報を取出すことができること
が判明した。例えば、後述するように、指圧波形からエ
ンジンの回転速度の１．２．４倍の周波数成分を抽出し
て合成することにより、図示平均有効圧Ｐｉを簡便に精
度良く取り出すことができる。

〔実施例〕

まず、最初に本発明の原理を詳細に説明する。

ここでは動力伝達がピストン・クランク機構で行われる
往復動エンジンの場合をとりあげる。

一般にある周期Ｔで繰返されている現象は、角速度ω（
−２π／Ｔ）の整数倍の角速度を持つ調和振動の合成と
して、フーリエ級数の形で表現することができる。

いま、燃焼室内圧力変化（指圧波形）Ｐ（ωｔ）の角速
度ωとエンジンの角速度ω　との間にはωｅ 一ｈω　（４サイクル機関：ｈ−１／２、２サイｅ クル機関：ｈ−１）関係があることを考慮してＰ（ωｔ
）をフーリエ級数の形で表わすとＰ（ωｔ）ｍＰ（ｈω
　ｔ） Ｃ である。

ここで、ｔは時間を、またＣｋ１φｋは各調和成分の振
幅と位相であり、ａＯはＰ（ωｔ）の平均値を示す。

一方、上死点を基準としたクランク角をθ　、ｅ シリンダ断面積並びに隙間容積をそれぞれＡ１Ｖ　で表
わせば、燃焼室容積Ｖは高次の要素を省Ｃ 略して ただしｒ：クランク半径、ｇ λ一ｆｔ　／　ｒ であり、したがって容積変化ｄ して以下のように表わせる。

：コンロッド長さ、 ■は（４） 式を微分 ここでθ　−ω　ｔの関係、並びに式（３）　、（５）
ｅ　　　　　ｅ を用いて式（１）の積分（ただし積分区間はＯ≦θ　≦
２π／ｈ）を行うと、 ｅ が以下のように求められる。

図示平均有効圧Ｐ， ｌ ここで、式（６）に注目しながら、式（３〉からＰ１に
関与する周波数成分を取出すと、４サイクル機関ではｈ
−１／２より Ｃ　ｓｉｎ　（ωｔ＋φ　）．　Ｃ　ｓｉｎ　（２ωｔ
＋φ４），２　　　　　　ｅ２４　　　　　　　ｅＣＢ
　ｓｉｎ　（４ω８ｔ＋φ８）（７）一方、２サイクル
機関ではｈ−１より、Ｃ　　Ｓ１１１　　（ωｔ十φ　
），Ｃ２ｓｉｎ　　（２ω８ｔ十φ２），ｔ　　　　　
　　ｅｌ Ｃ　ｓｉｎ　（４ωｔ＋φ４）（８） ４ｅ となる。

すなわち、４サイクル◆２サイクルのいずれの機関にお
いても、Ｐ５は圧力波形に含まれるエン１ ジン角速度の１、２、４倍の周波数成分によってのみ定
まることが明らかである。４サイクル・２サイクル両機
関での記号の統一を図るため、ここで回転速度の１、２
、４次戊分の振幅を単にＣ１、ｃ　　ｃ　　また位相差
をψ１、φ２、φ４と置２　ゝ　　４　ゝ くと、図示平均有効圧Ｐ１は式（６）より粘局次のよう
に表わすことができる。

（９）式は、指圧波形からエンジン回転速度の１、２、
４倍の周波数成分を抽出し、これらの波形に基づいて式
（９〉の演算を行えば、Ｐ，の険出か可１ 能となることを示唆している。

このような測定原理が妥当であることは表１の結果より
明らかである。

表は熱機関としてシバウラ・４サイクル空冷ガソリン機
関（ボア＊ストローク：　７　８ｍｍ＊　６　２ｍｍ、
行程容積＝２９６ｃＩｄ１圧縮比：７．４、点火肪期：
ＢＴＤＣ　　２３ｄｅｇ）を用い、これから得られた指
圧線図によって、計算上で式（９）の妥当性を確認した
ものである。なお、運転条件は回転速度２４３０〜２５
１Ｏｒｐｍ，スロットル開度４／４、また空燃比Ａ／Ｆ
は８．７〜１７．２である。

表１における比較の基準値は、クランク角１度ごとにサ
ンプリングされた７２０個の圧力データを用い、式（１
）をシンプソンの１／３則により数値積分して求めた図
示平均有効圧｛Ｐ１｝。てあり、同圧力データを調和分
析して求めた各成分の振幅、位相から、Ｐ．は式（９）
、またｆＰ，ｌ，。

１ は式（９）右辺第二項の１／４λ２と第三項を省略した
式（｛０）、ｉＰ，ｌ　１は式（９）右辺第一項以外の
項を全て省略した式（ｌ１）からそれぞれ計算した平均
有効圧である。また誤差ｅ（％）は｛Ｐ．｝　一計算値
ｌ　＊１００／　｛Ｐ，ｌ。と１０ して算出している。

表から明らかなように、式（１）の数値積分粘果である
基準値｛Ｐ，｝。と式（９）によるＰ，との差は０．０
５％以内、｛Ｐ１｝。と ｛Ｐｌ’ｌ２との差は０．　　２％以内である。このこ
とから、先の測定原理の妥当性が確認され、Ｐ　および
（Ｐ，ｌ，。の値は十分実用になる値で■ ある。また、ｆＰ１１　１でも９％以内であり、測定用
途によっては実用になる値である。

第ｌ図は、本発明の一実施例にかかるＰｉメー夕の概要
を示すブロック図である。ここでは簡略化のために２次
までの周波数成分を使用する形式のちのを示している。

入力指圧波形Ｐ（ｈω　ｔ）は人力端子１に与ｅ えられ、この指圧波形は第１次成分および第２次成分に
対応する２つの帯域フィルタ２および３にそれぞれ人力
される。これらの帯域フィルタの中心周波数（例えば第
１次戊分用としては１００Ｈｚ程度）は、ロータリエン
コーダ等のエンジン回転数検知器４により検知されたエ
ンジン四転数に基づきＦＶコンバータ５で制御電圧Ｖ１
およびＶ２の値によって自動的に変化させられる。これ
は、発明者の実験により中心周波数の設定精度がＰｉの
計測精度に非常に大きな影響を及ぼすことが判明してい
る為である。

帯域フィルタ２の出力Ｃ　　ｓｉｎ（ω　ｔ＋φ１）１
０ は上死点後のクランク角９０゜を検出するＡＴＤＣ９０
ｄｅｇ検出回路７の出力信号で動作を行うサンプルホー
ルド回路６により第１次成分がサンプルホールドされ、
ｃ　ｃｏｓ（ｐＪが出カさｌ れる。同様に、帯域フィルタ３の出力 Ｃ２ｓ４ｎ（２ω８ｔ＋φ２）は上死点後のクランク角
４５°あるいは２２５゜を検出する ＡＴＤＣ４５ｄｅｇ検出回路９の出力信号で動作を行う
サンプルホールド回路６に第２次戊分がサンプルホール
ドされ、Ｃ２ｃｏｓφ２が出力される。

このｃ２ｃｏｓψ２はλ設定器１１から与えられたλを
用いる乗算器１０によって１／２λを掛けあわされる。

この値とサンプルホールド回路６の出力信号Ｃ，ｃｏｓ
ψ１は加算器１２で加算され、さらに係数πまたはπ／
２が乗算器１３で掛け合わされる。この結果乗算器ｌ３
の出力は式（１０）に表わされたＰｉとなり、出力端子
１４から出力される。

このような装置を用いた場合の第１次周波数成分および
第２次周波数成分、さらにこれらを合成して得られる指
圧線図の各理論値をコンピュータでシミュレートし、得
られた結果を第２図に示す。

第３図は第２図に示した第１次成分および第２次成分に
ついての理論値と第１図の装置により得られた両戊分と
の誤差を図示したものである。同図からわかるようにこ
れらの誤差は５％以下で小さく、本発明の方法の精度は
十分に高い。また、前述した表を参照すると、第２次成
分までを用いれば実用上十分な精度を得ることができる
ことが立証された。

第４図は本発明の他の実施例にかかるＰｉメータの構成
の一部を示すブロック図である。同図は第１図における
サンプルホールド回路の変形例を示すもので、帯域フィ
ルタの出力 Ｃｌｓｉｎ　　（ωｔ＋ψ１）またはＣ２ｓｉｎｅ （２ω　ｔ十φ２）からサンプノレホールド部２１ｅ でＣｌｓｉｎψ１またはＣ　　ｓｉｎψ２を求めると共
２ にピークホールド部２２でＣ１またはｃ２を求め、これ
らから演算器２４で として算出可能である。

第５図は本発明の他の実施例にかかるＰｉメータの構成
の一部を示すブロック図である。この構成では指圧波形
を帯域フィルタに人力する前に微分器１５で微分してい
る点、加算器１２の出力にＶｓ情報を掛け合わせて図示
出力Ｌｉを求める乗算器１７、加算器１２の出力からＦ
Ｖコンバータ５０州力を用いて周波数成分を取り除くた
めの乗算器１８を有している点を除けば第１図に示した
実施例とほぼ同じである。

次にこの回路の動作を説明する。指圧波形をしゃ断周波
数ω　，２ω　のＢＰＦ２および３に通ｅ　　　　　　
　ｅ すと、その出力は、 ｄ ｆＰ　（ｈωｔ）　ｌ−ωＣ　ｅｏｓ　（ω。ｔ＋ψ｛
）　とｄｔ　　　　　ｅ　　　　Ｑ　　１ ２ω８ｃ２ＣＯＳ（２ω８ｔ＋ψ２）　とナル。

こからＴＤＣ検出回路７′により与えられる上死点にお
ける各威分，の読みは、ω　ｔ一θ　一〇Ｃ　　　　　
　　Ｃ より ω。ｃ１ｃｏＳ（ω。ｔ＋ψＩ）−（ＩＪ，　Ｃｌｃｏ
ｓψ１２ω。ｃ２ｃＯＳ（２ω８ｔ＋ψ２〉−２ω８Ｃ
２ＣＯＳψ２となる。

上式にはω　が含まれているため、乗算器１８でｅ １／ω　の廣算が行われる。しかし、ω　をそのｅ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　Ｑまま残しておけば、図示出力Ｌ１の算出が可能であ
る。１サイクルの周期はＴであり、Ｔ−Ｔｃ／ｈとなる
ことを考慮すれば、図示出力Ｌｉは以ドのように表わせ
る。

したがって、 であり、４サイクル、２サイクルで同一式となる。

以上の各実施例に示されたような簡便な測定装置を使用
した場合、扱うデータが少ないため、大きなメモリ容量
は不要でかつ演算時間も短くてすむため、実際の自動車
に搭載して失火判定やエンジン制御のための情報を得る
ことができる。

以上の実施例においては種々の変形が可能である。

まず、帯域フィルタの中心周波数を変更するために実施
例では例えば１°毎の回転を検出できるロークリエンコ
ーダを用いているか、計測精度をそれ程要しない場合に
は何等かの形で回転を検出できるもの、例えば電子燃料
噴射（ＥＦＩ）用の回転ピックアップなどを使用するこ
とかできる。

さらに、間接的には点火（イグニッション）ｆｇ号を使
用することができる。

また、上述の実施例では高周波成分の検出にあたりクラ
ンク角９０’，４５’または２５″を用いたが、エンジ
ンの特性により他のクランク角を選択することもできる
。

また、実施例では、人力波形として指圧波形を用い、帯
域フィルタなどの電気的な部品を用いて電気的に装置を
構成したが、本発明はこのようなものに限られない。

すなわち、本発明は容積型機械において行程サイクルに
関連する波動から周波数成分を抽出して合成することに
より機械の作動状態に関連する情報が得られることを特
徴としているのであり、この観点からは波動として機械
的信号、例えば機関音を音響ピックアップ、またはノッ
クセンサやプラグワッシャ型インジケータなどを用いて
取り帛し、その出力信号を特定の周波数特性を有する機
械的フィルタを通すことにより周波数成分を得ることが
できる。この場合には前述した１次の周波数成分が中心
となって必ずしも精度は良くはないが、この構成の場合
には何等の漬算を行うことなく情報が得られる利点があ
る。しかも、このような構成の場合、機械的フィルタの
形状を適当に設計すれば音響ビックアップと一体化でき
、非常に小形軽量化が可能となる。このような簡中な測
定器はモニタ用としてならば十分使用可能である。

この機械的信号としては指圧波形に関連して生じるシン
ダブロックの変形信号なども利用することができる。

なお、図示平均有効圧Ｐｉに含まれる第１次戊分と第２
次成分とはＰｉの増加にともなって１曽加する傾向が見
られる。発明者の実験によればＰｉと第１次戊分との比
は常に１．２前後の値を示している。したがって、上述
の実施例における帯域フィルタは１つだけでもＰｉを求
めることがｉ１ｆ能である。

さらに、上述の実施例では基本波成分および高周波成分
を組合わせた状態で取出しているか、振幅または位相だ
けでも機械の状態に関連した情報を取出すことが可能で
ある。この場合は振幅は実施例に示した構成で、また位
相は例えばゼロクロス回路とコンパレー夕を追加するだ
けで容易に求めることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明にかかる機関状態′ＡＩｌｊ定方
法によれば、行程サイクルに関連した基本波成分および
その高調波成分を求め、これらを合成するだけで、平均
有効圧などの機関の状態を表わす情報を高精度で簡便に
得ることができる。

また、本発明にかかる機関状態測定装置によれば、機関
の状態を表わす情報を簡弔な構成により高精度で簡便に
得ることができる。したがって扱うデータが少ないため
、メモリ容量は少なくて済む他、演算時間も短くて済む
ため、従来自動車には使用されることのなかった平均ａ
効圧等の情報を制御情報として使用することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明にかかる容積型磯械の状態測定装置の一
実施例としての図示平均有効圧測定機構成を示すブロッ
ク図、第２図は本発明の方法の理論値を示すグラフ、第
３図は本発明の何用性を検証した示すグラフ、第４図は
本発明にかかる容積型機械の状！Ｔ３７Ｉ′ＩＩ１定装
置の他の実施例の構成を示すブロック図、第５図は本発
明にかかる容積型機械の状態測定装置の他の実施例の構
成を示すブロック図である。 １・・・入力端子、２．３・・・帯域フィルタ、４・・
・エンコーダ、５・・・ＦＶコンバータ、６、８，２１
・・・サンプルホールド回路、７．７−．９．２３・・
・角度検出回路、１０，ＩＣＩ，１２，１３．１３−１
７．１８．２４・・・演算器、１１・・λ設定器、１４
・・・出力端子、１５・・・微分器、２２・・・ピーク
ホールド回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、運転状態にある容積型機械における行程サイクルに
   関連した波動の基本波成分およびその高調波成分を求め
   、これらを合成して作動状態を表わす信号を求めること
   を特徴とする容積型機械の作動状態測定方法。 ２、容積型機械の作動状態を表わす信号が図示平均有効
   圧力である請求項１記載の容積型機械の作動状態測定方
   法。 ３、行程サイクルに関連した波動の基本波成分およびそ
   の高調波成分を求める過程が、指圧波形を含む信号をフ
   ィルタ手段を通すことにより得られることを特徴とする
   請求項１記載の容積型機械の作動状態測定方法。 ４、フィルタ手段が電気的帯域フィルタであることを特
   徴とする請求項３記載の容積型機械の作動状態測定方法
   。 ５、フィルタ手段が指圧波形に関連した機械的信号から
   特定周波数成分を求める機械的フィルタである請求項３
   記載の容積型機械の作動状態測定方法。 ６、機械的信号が音信号である請求項５記載の容積型機
   械の作動状態測定方法。 ７、高調波成分を求める過程が基本波成分およびその高
   調波成分との関係を利用して基本波成分を演算して求め
   ることを特徴とする請求項１記載の容積型機械の作動状
   態測定方法。 ８、容積型機械が往復動エンジンである請求項１記載の
   容積型機械の作動状態測定方法。 ９、容積型熱機関が回転エンジンである請求項１記載の
   容積型機械の作動状態測定方法。 １０、基本波成分および高周波成分が振幅と位相の少な
   くとも一方である請求項１記載の容積型熱機関の状態測
   定方法。 １１、運転状態にある容積型熱機関の行程サイクルに関
   連した波動から基本波成分およびその高調波成分をそれ
   ぞれ取出す複数のフィルタ手段と、このフィルタ手段の
   出力値のうち行程サイクルに関連した波動値を保持する
   複数の保持手段と、この複数の保持手段の出力を合成し
   て機関状態を表わす信号を求める合成手段とを備えた容
   積型機械の作動状態測定装置。 １２、行程サイクルに関連した波動が指圧波形である請
   求項１１記載の容積型機械の作動状態測定装置。 １３、フィルタ手段が帯域フィルタであることを特徴と
   する請求項１１記載の容積型機械の作動状態測定装置。 １４、帯域フィルタが、その中心周波数が機関のサイク
   ル速度に応じて変化するものである請求項１３記載の容
   積型機械の作動状態測定装置。 １５、フィルタ手段が指圧波形に関連した機械的信号か
   ら特定周波数成分を求める機械的フィルタである請求項
   １１記載の容積型機械の作動状態測定装置。 １６、機械的信号が音信号である請求項１５記載の容積
   型機械の状態測定装置。 １７、容積型機械が往復動エンジンである請求項１１記
   載の容積型機械の作動状態測定方法。 １８、容積型機械が回転エンジンである請求項１１記載
   の容積型機械の作動状態測定装置。