JPH06508220A - エンジンを監視する方法とその装置 - 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】 エンジンを監視する方法とその装置 技術分野 この発明は、クランク角に依存する回転角速度の連続測定を行い、この回転角速 度を評価して回転数およびトルクあるいは出力の測定量をめる、内燃機関、特に 多気筒内燃機関を検査する方法に関する。更に、この発明は、クランク角度に依 存する回転角速度をめる測定装置と、回転数とトルクあるいは出力の測定量をめ るため前記測定装置に接続する評価ユニットとを備えた内燃機関の検査装置にも 関する。

従来の技術 内燃機関を運転する場合、トルク（「出力」）と回転数は基本的な測定量である 。エンジンに関して測定される他の量は大抵エンジンの出力やエンジンの回転数 に依存する。エンジンの調査では、これ等の関係を通常特性図形に表す。エンジ ンの管理系でも、例えば点火時点が回転数と出力に応じてプログラムされる。

これに反して、エンジンを監視する課題にあって今では（技術的および財政的な コストのため）少なくとも出力の測定が省略され、絶対限界値、例えば油圧、冷 却水の温度あるいは排気温度に対する限界値しか監視されていない。

エンジンの回転数は種々の方法で常時簡単に測定できるか、エンジンで出力され るトルクの測定は経費がかかり、経費は等しくない。捩じれによる変形を検出す るため、特別に出力の加わるシャルト部分に歪ゲージを貼り付けることかしばし ば行われる。この方法は駆動連結体に直接介入しているか、精度は高い。更に、 柔軟な駆動連結体の部材に関する差動角度の測定も行われる。エンジン懸架部の 反作用トルクもトルクの測定に使用される。

これ等の方法はいずれも測定装置やセンサの高い経費に結び付く。それ故、比較 的簡単に測定すべき回転数、つまり平均角速度および平均角加速度から出力量の 目安をめることが既に研究されている。例えば、米国特許第３９２１４４６号明 細書（Ｋａｒｌ　Ｌｕｄｌｏｆｆ）によれば、加速期間と一定角速度によるスタ ート期間を組み合わて出力モーメントを予測している。

更に、クランク軸の角加速度の瞬間的な変化から、ピストン機械の平均出力モー メントを測定することも基本的にてきることが知られている。米国特許第４５５ ０５９５号明細書のＨａｒｒｙ　Ｊ、　Ｖｅｎｅｍａは４気笥４サイクルエンジ ンに対して、往復運動する物体の慣性力の作用も評価に入れると、エンジンの出 力がクランク軸の角速度の変化と角加速度の変化により再現できることを確認し ている。この特許明細書では、特に４気筒４サイクルエンジンに対して近似公式 の装置を提示している。

慣性力の考察が不足しているためＳ、　Ｊ、　Ｃ１ｔｒｏｎの方法（欧州特許第 ０１９８１３７号明細書）の応用性も制限されている。この明細書に提示されて いる出力量は角速度の変化の振幅に相当し、目的に合わない程強い回転数依存性 がある。更に、試験によれば、高出力で回転数が高い場合、角速度の変化の振幅 は減少し、単調な変化を示さないことか確認されている。しがし、単調な関係は 測定量の有用性に対する前提条件である。

ＳＡＥ文献８９００８８５には、Ｗ、　Ｂ、　ＲｉｂｂｅｎｓとＧ、　Ｒｉｚｚ ｏｎｉが平均内部エンジン・トルクを測定した角速度の変化と角加速度の変化か ら再現できる電気等価モデルを提示している。この平均内部エンジン・トルクは ただエンジンの摩擦たけで出力モーメントと相違している。この方法では、モデ ルのパラメータに必要な数が多いこと、計算にコストがかかること、およびクラ ンク軸の捩しれ振動の影響を計算に入れることかできないと言う事実に難点かあ る。

発明の開示 この発明の課題は、上記の様式の方法と装置の上に述へた難点を排除し、特にエ ンジン出力を簡単な方法で、しかも少ないエンジン・データを用いて測定できる 可能性を提供することにある。

上記の課題は、二の発明により、冒頭に述へた種類の方法の場合、トルクあるい は圧力の測定量として回転角速度の変化からめられるエネルギーレベルの波形の 変動を利用しすることによって解決されている。この発明による装置の対応する 構成は、評価ユニットがエネルギーレベルの変化をめる装置と、この装置に連結 し、エネルギーレベルの変化の変動をめ、トルクあるいは出力に対してめた測定 量に前記変動を対応させる装置とを有する点に特徴がある。

こうして、クランク軸の瞬時回転角速度の測定だけから（それどころか、角加速 度を測定することなく）クランク軸だけの関数としてエンジンの回転数およびエ ンジンの出力、あるいはエンジンの他の種々の監視量も簡単に測定できる。

以下により詳しく説明される用語「エネルギーレベル」あるいは「エネルギーレ ベルの変化」に関しては、予めオーストリヤ特許第８３９３．３２３号明細書を 更に参照されたい。この明細書では、これ等の量あるいはこれ等の量をめる根拠 が明確に示されている。

図面の簡単な説明 図１は、典型的な測定装置を示す。瞬時回転角速度ω冒よエンジンのフライホイ ールのところで測定される。ω１の波形の成る時点を一定のクランク軸の位置に 対応させるトリガ量Ｔも、同じように、例えばフライホイールのところで検出さ れる。クランク軸の回転振動も計算に入れるため、自由選択的に他の回転角速度 、例えばω２とω、を測定してもよい。

出力と回転数を知るには、例えばエンジン監視装置中で特性図形中の他の全ての エンジン測定量を監視できる。

これにより、良好状態と不良状態を分離する必然的に広い許容範囲の個々の限界 値だけでなく、「限界値の面ｊも指定できる（図２参照）。このことは、例えば 、測定量、ブースト圧力、排気温度、油圧、その外、油圧変化、冷却水温度、噴 射時点あるいは点火時点、排煙値あるいは運転時間による特性量、あるいは測定 されたω波形から同様にめることのできる特性量も、等々のような、種々の監視 量を測定でき、全運転範囲の上限と下限を与える場合よりも、非常に狭い許容限 界内で監視できることを意味する。簡単に言えば、一定の測定量に対するエンジ ンの欠陥の影響を運転状態の影響と分離できる。当然、回転数と出力の知識から 、加速期間あるいはスタート期間だけでなく、定常状態でも、出力を測定できる 可能性も生じる。

クランク軸の瞬時回転角速度をめるためには、クランク位置αを駆動連結体の少 なくとも一部に関して時間ｔの関数として測定し、測定値からαに依存する角速 度ωが計算される。即ち、 角度マーク信号を発生させるため、適当な形状の既存のマーク（例えばリングギ ヤの歯のような）を走査して演算処理したりおよび／または他の公知の増分測定 法を採用できる。この場合、Δαは（使用するマークの数に応じて）主に１０と ６°のクランク角の間にある。個別のトリガーマーク（主に１サイクル当たりピ ）によって、角速度の波形の角度の正確な対応を得ることができる。このトリガ ー情報を得るため多くの可能性が良く知られている。例えば、フライホイールの ところの正確な回転同期マークと他の信号を組み合わせることができ、この他の 信号は正確な角度関係に幾分変化があるが、４サイクル・エンジンに対してシリ ンダの対応関係を可能にする。つまり、点火電圧信号あるいは噴射導入圧信号で ある。２サイクル・エンジンに対して、最後の信号は省略される。

図３は当該測定方法を見取り図にして示す。第一段階では、測定量ω、が付属す るトリが信号Ｔと共に、自由選択的にめた測定量ω２とω、と同じように、Δα あるいはΔｔの不正確による高周波測定誤差から解放される。これには、角速度 が主に平滑化する平均値形成部によって平滑化される。更に、ω波形をマークの 数に無関係に、例えば７２０／１０２４度のクランク角度分解能で計算し、ｌサ イクル当たり２の零敗の支持点数を使用できると効果的である。これは、平滑化 された波形を補間することによって得られ、後の段階で早（て簡単なＦＦｒのア ルゴリズムを使用できると言う利点を有する。

次の段階では、エネルギーレベルおよびその次数スペクトルを計算するため以下 に説明する処理が実行される、そしてこの次数スペクトルから結果量「エンジン の出力」および自由選択に個別シリンダの出力の一様性に対する結果量「円滑度 」　もまる。

結果量「回転数」は周知の方式で、例えばトリガ信号Ｔからまる。クランク軸は （例えばその長さが短いため）剛体と見なすことができれば、角速度の測定のみ が主としてリングギヤのところで行われる。図４はクランク角度に関係した測定 量ω１の典型的な波形を示す。

クランク軸が長い場合には、クランク軸の自由端で他の角速度測定も行われる。

基本的には（必ずしも必要でないが）この方法の精度は駆動連結体を多数の剛体 とその間にある質量のないバネとてモデル化して精度を高めることかできる。こ の場合には、全ての「モデル剛体」の角速度を測定する必要があるので（例えば 図６を参照）、等式（１）により、測定個所の数ｒｎＪに応じて、ω１〜ω６の 角速度の波形が生じる。これ等の角速度は全て主クランク角度（α＝α１）の関 数として計算されて平滑化される。

このように測定されたクランク軸の回転角速度ω、から（オーストリヤ特許第３ ９３３２４号明細書のように）機械系に貯えられたエネルギーの変化がまる。

Ｅｇｅｓ（α）・・・機械系に貯えられたエネルギー［、（α）　・・・往復運 動する物体の慣性作用を計算する測定個所ｌての慣性モーメント Ｌ＋・・・測定個所１での回転物体の慣性モーメントｍｏｓ・・・−個のシリン ダ中の往復運動する全物体ｒ　・・・半ストローク Ｚ　・・・シリンダの数 α、・・・シリンダ「ｊ」の点火上部死点で零になるシリンダ固有のクランク角 度 Ｘ（α１）・・・シリンダｊの無次元ストロークλ　・・・連接連結体比（λ＝ 　ｒ／ｌ）１　・・・連接連結体の長さ １１　・・・・・測定個所ｊの慣性モーメントＥｐｏｔ　・・・・・駆動連結体 系に貯えた全てのポテンシャルエネルギーの和この測定に関してはここでは詳し く立ち入らない。何故ならこれ等は出力を知るのに無視できるからである。

図５は、測定量ω、から計算されたエネルギーレベルの変化を示す。そして、図 ７は、ω２とω、を精度を高めて計算して得られたエネルギーレベルの変化を示 す。

この発明の主要な要素は、基本的に点火周期で顕著になる貯えたエネルギーの波 形中の変動がエンジンの出力の目安を表すことにある。この開示されていない事 実の解明を以下に行う。エンジンの出力が高い場合、個々のシリンダのトルクは 燃料ガス力により低い出力の場合よりも大きな変動を示す（図８を参照）。空気 量を多くすると（ターボ過給機）一方で強い負の圧縮トルクが生じる。他方、導 入した燃料が多いと、強い正の膨張トルクが生じる。

それ故、これ等のトルク変動は駆動連結体の回転でも多少大きな不均一性を与え る。この場合、周期間隔の中には点火間隔が入っている。もっとも、駆動連結体 の慣性力の影響と捩じれ振動の影響はフライホイールの運動に乱れた状態で重畳 する。これ等の乱れた影響は、エネルギーレベルを計算する場合（ωの測定個所 の数に応じて捩じれ振動の影響も）実際上任意に正確に計算される。

等式（２）〜（４）により、この発明の他の要素も分かる。つまり、慣性力の影 響を正確に検出するのに必要なエンジンのデータの数が少ない点にある。更に、 この数は以下の単純化を行える可能性を考慮すると更に低減する。いずれにして も、点火周期の振幅を付属する出力時点に対応させる必要があるので（少なくと も成る回転数の時、例えばアイドリグ時に、トルクＯＮｍに対するアイドリンク 出力の振幅、あるいは全出力時の定格トクルに対する全出力の振幅）エネルギー レベルの波形を絶対量として計算することは必ずしも必要ではない。これはＥｇ ｅｓを１ｏ＋　ｋｇｍ”に規格化する相対計算で十分である。慣性力を計算する には、ｍ６１・ｒ２／［ｕ　とλの比で十分であり、捩じり振動を計算するには 、測定個所ｊの慣性モーメントを比率式Ｌ　／１．、で置き換えることができる 。

求めた平均点火周期振幅Ａ（ｎｚ　）は最も簡単にはＦＦＴアルゴリズムの次数 解析により決定できる。その場合、ω波形を平滑化するとき、補間を実行できる ので、支持点の数は２の票数であると有利である。

Ｎ・・・ｌサイクル当たりの角度支持点の数ロ　・・・基本周期に対する次数（ ｎ　＝　１．２．・・・Ｎ／２）Ｘｎｒ・・・Ｘｎの実部 Ｘｎｉ・・・Ｘｎの虚部 シリンダ数Ｚとサイクル数ｔに応して、点火周期の次数０２はとなる。点火間隔 が等しくない場合（例えば、■６シリンダ・エンジンてａｌ　ｍ１５０度、ａ２ ＝９０度）、「点火周期振幅」は基本的に以下のクランク次数に対する振幅の和 である。つまり、 および この場合、場合によっては、次のクランク軸次数に丸められる。

個々の場合、振幅を省略できたり、あるいはｎｚ＋あるいはｎｚ２に対する整数 倍のクランク軸次数に対する振幅で置き換えることもできる。

図９は、６気箭直列エンジンのエネルギーレベル波形のこの種の次数解析に対す る一例を示す。

図１Ｏと１１は点火周期に対する（例えば、６気筒エンジンの第３クランク軸次 数に対する、図９参照）振幅が独立に測定された出力にどのように依存するかを 示す。全ての回転数に対して単調に増加する波形が生じ、ただ一つのω波形を測 定した場合、慣性力の影響しか補償されない場合にそのようになることが分かる （図１０）。

例えばクランク軸の自由端のところの第二の角速度測定によって、捩じれ振動の 主要成分も同じように補償されると、予想されるように、エンジンの出力とエネ ルギーレベルの変化の点火周期の振幅との間に、回転数に実際上無関係の殆と直 線状のただ一つの関係が生じる（図１１）。

点火周期の振幅はただ一つの角速度の波形を測定するだけで出力の目安を表すこ とが分かる。更に、付加的な角速度の波形を測定することによって、機械の連結 体に貯えるエネルギの変化を正確に測定できるので、回転数に原理的に無関係な 出力に対する関係をより良く近似できる。

この関係は、エンジンに関してエンジンのタイプ毎に出力に対して校正できる。

そのとき、測定されたエネルギーレベルの変動を基に、実際のエンジンの出力モ ーメントを絶対値として提示できる。

この校正は出力基準測定が可能な検査台上で行える。この校正は、エンジンの慣 性モーメント（１０）か既知の場合、工場で自動車に組み込んだエンジンの若干 の自由な高速運転で可能である。

この場合、エンジンの有効トルク（Ｍ）は周知のように、Ｍｌ。・〈ゐ〉　（等 式１１） でもまる。ここで、＜Ｌ＞とは、例えば動作期間中に測定できる平均回転加速度 であり、　Ｉｏは有効なエンジンの全慣性モーメントである。

このようにしてめたエンジンの上記トルク（Ｍ）は、ここに提唱する発明により 、同時に計算可能なエネルギーレベル波形の点火周期振幅からもまる。つまり、 Ｍ　”　ｄ＋　ｋ−Ａ　（ｎｚ　）　（等式１２）等式１１と等式１２を少なく とも二つの出力点て等しくすると、つまり、例えば成る動作期間に対して全出力 の高速走行から、またほぼ同じ回転数の他の動作期間で分割出力の高速走行から 両者を等しくすると、これ等のエンジンのタイプに対して校正係数ｄとｋが（こ の回転数で請求まる。

Ａ（ｎｚ　）の計算にＦＦＴを使用する場合には、エネルギーレベル計算に使用 される測定された全てのωの波形の＜フ〉による周期性のない成分が予め除去さ れていると好ましい。即ち、 ω、。１．　・・・高速走行成分なしの補正されたωの波形ω、帽　・・・高速 成分を有するωの波形α　・・・実際のクランク角度 α０〜α１　・・・中間領域、好ましくは一回の動作期間を意味する。

更に、エネルギーレベル波形の次数スペクトルから、個々のシリンダの出力の一 様性に関する一般的な表示が得られる（図３参照）。エンジンが「円滑に動作し ない」のであれば、点火周期以下、つまり４サイクルの場合、主として半屯火周 期を含めて、この周期以下のクランク軸次数（つまり、例えば６気筒エンジンに 対して０．５次、１次および１．５次のクランク軸次数）で全ての振幅が高まる 。

それ故、基本的にはこれ等の振幅の和を一様性の目安あるいは円滑度の目安とし て使用できる。

特に、４サイクルエンジンのシリンダの最小出力では、０，５次のクランク軸次 数が励起される（２サイクルエンジンの場合には、第一クランク軸次数）。

それ故、このクランク軸次数を不良識別の目安として使用できる。良好な状態と 不良状態の間の限界値は出力と回転数と共に変わり、装置を［良好なエンジンの 構造体」に装備している場合、「自己学習期間」に統計法で自動的に確認される （図２参照）。

回転数および回転の一様性の測定は、エンジンの状態に関する診断を得るのに適 している。しかし、その場合、事情によっては、もっと必要なエンジンの有効慣 性モーメントがしばしば未知である。

そのため、更に小さな付加的な負荷を使用しないだけでなく、そのような負荷を 使用しても回転数および／または回転の一様性を測定することが提唱されている 。この付加的な負荷は既知の付加的な慣性モーメントおよび／または付加的な摩 擦モーメントである。付加的な負荷を使用したものと使用しない測定結果を数値 的に比較して、エンジンの未知の慣性モーメントをめることができる。

この場合、一方で付加的な負荷を使用しないで回転数の変化ω、と回転の一様性 を測定し、パラメータ １１　・・・・回転物体の慣性モーメントＭ、・・・・有効な平均モーメント を用いて評価を行う、そして他方で付加的な負荷を用いてそれ以外は同じ条件下 で波形ω、を測定して、 １□＝Ｌ　＋　Ｉｓ　・・・付加的な負荷を含めた慣性モーメントＭ２　＝　ｌ ＋Ｌ　＋　Ｍｓ　・・・付加的な負荷での有効モーメントを用いて評価する。こ うして、１１をめる等式が得られる。

自由な高速走行時および／またはスタート時にまる回転数の平均変化〈フ〉はニ ートンの法則により有効モーメントに関して決めることができる。つまり、こう して請求める慣性モーメントＩ。

Ｌ　＝　（Ｍ　ｅ　＋　１８　・くる１＞）／（＜乙、〉−くる、〉）（等式１ ４）％式％ その場合、例えばこの装置がフライホイールを手動で回転する規格化された工具 の代わりに組み込めるように、この負荷装置を構成することができる。この負荷 装置は、上記の工具のように、フライホイールのリングギヤに噛み合い、このフ ライホイールで駆動されるピニオンを育する。このビニオンは、例えばフライホ イールおよび／または油圧ブレーキで構成される負荷装置を駆動する。付加的な 負荷を選択的に作動させるクラッチも設けであると有利である。

付加的な負荷を与える他の可能性は、電気負荷抵抗を選択的に接続できる既存の 発電機（照明用発電機、交流発電機）を利用することである。しかし、場合によ っては、過負荷を加えることができない、回転数と負荷に依存する効率の発電機 の比較的少ない出力は不利である。

上記の理由により、機械的な解決策が通常の場合有利である。

回転数と回転の一様性を測定するリングギヤ・センサは負荷装置の中に一緒に組 み込んでもよい。

第４図 クランク角度　３０ 第５図 貯えたエネルギー：Ｅｌ クランク角度　［度コ 第６図 三つの角速度の波形 第７図 貯えたエネルギーの精度を高めた波形 クランク角度　［度］ ［ＬＬＩＮ］ ［ｒｌ ［閂１ ［ｒｓｌ フロントページの続き （７２）発明者　ケーゲラー・ハンスーミヒャエルオーストリア国、アー−８０ １０グラーツ、ッーザー　タールガッセ、２９ （７２）発明者　クンツフェルト・ウィルヘルムオーストリア国、アー−８０１ ０グラーツ、シュティ　フティングタールストラーセ、（７２）発明者　シッフ ベンカー・ヘルベルトオーストリア国、アー−８０１０グラーツ、メランガッセ 、３５

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．クランク角に依存する回転角速度の連続測定を行い、この回転角速度を評価 して回転数およびトルクあるいは出力の測定量を求める、内燃機関、特に多気筒 内燃機関を検査する方法において、トルクあるいは出力の測定量として回転角速 度の変化から求められるエネルギーレベルの波形の変動を利用することを特徴と する方法。
2. ２．点火周期でのエネルギーレベル波形の変動の平均振幅がトルクあるいは出力 の測定量として使用されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．回転角速度あるいはこの回転角速度から導かれる量の変化は、評価する前に 、信号処理、主に多くの動作期間あるいは点火周期の波形を重ね合わせる平均化 、あるいは平滑化された平均値形成に使用されることを特徴とする請求の範囲第 １項または第２項に記載の方法。
4. ４．回転角速度あるいはこの回転角速度から導かれる量の変化は、一定の角分解 能、例えば７２０／１０２４度のクランク角度で求められるので、１周期当たり ２の■数の支持点の数が使用されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の 方法。
5. ５．点火周期でのエネルギーレベル波形の平均変動振幅はＦＦＴアルゴリズムを 用いる次数解析により求まることを特徴とする請求の範囲第２〜４項のいずれか １項に記載の方法。
6. ６．エネルギーレベル波形の次数スペクトルから点火周期のクランク軸次数に対 する振幅上昇を求め、個々のシリンダ出力の一様性あるいは制動機械の円滑度の 目安として使用されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の方法。
7. ７．各内燃機関のクランク角度に依存する回転角速度の変化は一回は付加的な負 荷を使用しないで、また一回は付加的な負荷を使用してエネルギーレベルの波形 を求めるため、付加的な既知の慣性モーメントおよび／または摩擦モーメントに より測定され、各測定結果を比較して有効慣性モーメンを求めることを特徴とす る請求の範囲第１〜６項のいずれか１項に記載の方法。
8. ８．付加的な摩擦モーメントは内燃機関に存在する発電機に接続された電気負荷 抵抗を介して発生することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の方法。
9. ９．付加的な負荷は内燃機関で駆動される付加的なフライホイールおよび／また は制動装置を介して導入されることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の方法 。
10. １０．クランク角度に依存する回転角速度を求める測定装置と、回転数とトルク あるいは出力の測定量を求めるため前記測定装置に接続する評価ユニットとを備 えた内燃機関の検査装置において、評価ユニットがエネルギーレベルの変化を求 める装置と、この装置に連結し、エネルギーレベルの変化の変動を求め、トルク あるいは出力に対して求めた測定量に前記変動を対応させる装置とを有すること を特徴とする装置。
11. １１．信号処理ユニットには、信号処理ユニットが接続されていることを特徴と する請求の範囲第１０項に記載の装置。
12. １２．既知の慣性モーメントを有する駆動すべき付加的なフライホイールおよび ／または一定の負荷である内燃機関の制動装置が使用されることを特徴とする請 求の範囲第１０項または第１１項に記載の装置。
13. １３．内燃機関に存在する発電機には一定の電気負荷抵抗が接続できることを特 徴とする請求の範囲第１０項または第１１項に記載の装置。