JPWO2010013773A1 - 原動機のトルク計測装置及びその方法、並びに制御プログラム - Google Patents
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Abstract
簡単な構成で、各気筒の出力（トルク）特性を推定する。そのため、原動機のトルク計測装置は、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するトルク検出部４と、原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度を検出する回転検出部３と、各気筒のピストンの回転角度を検出するトップマーク検出部２と、トルク検出部４が検出した出力トルクの信号、回転検出部３が検出した回転部の回転角度、トップマーク検出部２が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性を予測するトルク演算部１０と、を備える。トルク演算部１０は、各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測する。
Description
本発明は、複数気筒を有する原動機について、その各気筒のトルク特性を計測するトルク計測装置及びその方法、並びに制御プログラムに関する。
従来より、原動機の状態を推定する装置が様々提案されている。例えば特許文献１に開示の技術では、出力計測用として燃焼圧力検出器（内筒圧力検出手段）を備えている。このような燃焼圧力検出器を各気筒に備えることで、各燃焼圧力検出器から得た信号を基に、各気筒の出力を推定できる。
しかしながら、燃焼圧力検出器を各気筒に取り付けるため、シリンダブロックに機械加工が必要になったり、その機械加工により、エンジン自体に構造上の応力変化が生じたりしてしまう。また、燃焼圧力検出器も高価であり、燃焼圧力検出器の強度不足等の問題もある。
本発明の課題は、簡単な構成で、各気筒の出力（トルク）特性を推定することである。
本発明の課題は、簡単な構成で、各気筒の出力（トルク）特性を推定することである。
前記課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載の原動機のトルク計測装置は、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出する出力トルク検出手段と、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度を検出する回転部回転角度検出手段と、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するピストン回転角度検出手段と、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、前記回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、前記ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性を予測するトルク予測手段と、を備え、前記トルク予測手段が、前記各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測する。
また、本発明に係る請求項２に記載の原動機のトルク計測装置は、請求項１に記載の原動機のトルク計測装置において、前記トルク予測手段が、前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号を各気筒に対応付けて切り分け、その切り分けた信号の周波数をスペクトル解析することで、各気筒のピークトルクを予測する。
また、本発明に係る請求項３に記載の原動機のトルク計測装置は、請求項２に記載の原動機のトルク計測装置において、前記トルク予測手段が、前記回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度及び前記スペクトル解析結果を基に、前記燃焼角度を予測する。
また、本発明に係る請求項３に記載の原動機のトルク計測装置は、請求項２に記載の原動機のトルク計測装置において、前記トルク予測手段が、前記回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度及び前記スペクトル解析結果を基に、前記燃焼角度を予測する。
また、本発明に係る請求項４に記載の原動機のトルク計測装置は、請求項１に記載の原動機のトルク計測装置において、前記トルク予測手段が、前記回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号を前記原動機の１サイクルを構成する過程単位で切り分け、その切り分けた信号の周波数をスペクトル解析することで、各気筒のピークトルクを予測する。
また、本発明に係る請求項５に記載の原動機のトルク計測装置は、請求項４に記載の原動機のトルク計測装置において、前記トルク予測手段が、前記スペクトル解析結果を基に、前記燃焼角度を予測する。
また、本発明に係る請求項６に記載の原動機のトルク計測方法は、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップとを有する。
また、本発明に係る請求項６に記載の原動機のトルク計測方法は、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップとを有する。
また、本発明に係る請求項７に記載の制御プログラムは、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、をコンピュータに実行させて原動機のトルク計測装置の機能を実現させる。
本発明によれば、出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測しており、簡単な構成でその各気筒のトルク特性を予測できる。
（構成）
本実施形態は、原動機のトルク計測装置である。図１及び図２は、その原動機のトルク計測装置の構成を示す。
図１及び図２に示すように、トルク計測装置は、回転負荷１、トップマーク検出部２、回転検出部（回転検出器）３、トルク検出部（トルク検出器、ロードセル）４、増幅アンプ５及びトルク演算部１０を備える。トルク演算部１０は、データ入力部１１、パルス入力部１２、アナログ入力部１３、出力部１４及び演算部１５を備える。
本実施形態は、原動機のトルク計測装置である。図１及び図２は、その原動機のトルク計測装置の構成を示す。
図１及び図２に示すように、トルク計測装置は、回転負荷１、トップマーク検出部２、回転検出部（回転検出器）３、トルク検出部（トルク検出器、ロードセル）４、増幅アンプ５及びトルク演算部１０を備える。トルク演算部１０は、データ入力部１１、パルス入力部１２、アナログ入力部１３、出力部１４及び演算部１５を備える。
図３は、このトルク計測装置による計測対象となる原動機１００の構成例を示す。図３に示すように、原動機１００は、４つのピストン１０１，１０２，１０３，１０４を有する４気筒の原動機として構成されている。４つのピストン１０１，１０２，１０３，１０４は、コンロッドを介して回転部となるクランクシャフト１１０に連結されている。また、本実施形態では、原動機１００は４サイクルの原動機である。
回転負荷１は、原動機１００に負荷を付与している。回転負荷１は、例えば、船舶の推進に用いられるスクリュー等である。回転負荷１には、原動機１００から伝達された駆動トルクを吸収する複数のトルク吸収要素が一定の回転角度毎に設けられている。
回転負荷１は、原動機１００に負荷を付与している。回転負荷１は、例えば、船舶の推進に用いられるスクリュー等である。回転負荷１には、原動機１００から伝達された駆動トルクを吸収する複数のトルク吸収要素が一定の回転角度毎に設けられている。
トップマーク検出部２は、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４の上死点又は下死点を検出することを実現する。具体的には、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４がクランクシャフト（回転部）に連結されており、そのクランクシャフト１１０の端部に図示しないフライホイールが設けられている。トップマーク検出部２は、そのフライホイールの前記各気筒の上死点又は下死点に相当する位置にマーク（トップマーク）を付し、そのトップマークを検出する。例えば、トップマーク検出部２は、そのようなトップマークを光学的又は機械的（マグネット等）に検出するように構成されている。トップマーク検出部２は、トップマークの検出に対応してトップマーク検出信号を生成する。ここで、トップマーク検出信号は、各気筒の上死点又は下死点（１行程）を特定するための信号となる。トップマーク検出部２は、生成したトップマーク検出信号をトルク演算部１０に出力する。
回転検出部３は、原動機１００の回転数を検出する。具体的には、回転検出部３は、周囲に複数のスリットが等間隔に設けられた図示しない回転板、及び同スリットを通過する光をディジタルの電気信号に変換する図示しないホトインタラプタを備え、原動機１００の回転速度（回転数）に比例した周波数の回転検出信号（回転検出用パルス）を生成する。回転検出部３は、回転検出信号をトルク演算部１０（パルス入力部１２）に出力する。回転板は、クランクシャフトと一体に回転するものであり、例えば、フライホイールである。
トルク検出部４は、原動機１００から伝達された駆動トルクと回転負荷１から発生した制御トルクとが釣り合う点を検出する。これにより、トルク検出部４は、原動機１００の駆動トルクを検出し、アナログのトルク検出信号を生成する。トルク検出部４は、トルク検出信号を増幅アンプ５に出力する。増幅アンプ５は、トルク検出信号を増幅し、トルク演算部１０（アナログ入力部１３）に出力する。
トルク演算部１０では、データ入力部１１に原動機１００の各種データが入力される。例えば、データ入力部１１には、キーボード、マウスといった入力手段により使用者に入力された各種データが入力される。各種データは、具体的には、原動機１００の気筒数（例えば、本実施形態では「４」）やサイクル数（例えば、本実施形態では「４」）である。
演算部１５は、中央処理装置（ＣＰＵ）やＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）等により構成されている。演算部１５は、データ入力部１１から入力された各種データ、パルス入力部１２から入力された回転検出信号、及びアナログ入力部１３から入力されたトルク検出信号を基に、各気筒のトルク特性を演算する。具体的には、次のようにである。図４も併せて用いて、説明する。
先ず、演算部１５は、回転検出信号（回転検出用パルス）を基に、回転角度を検出する。具体的には、演算部１５は、原動機１００のクランクシャフトやフライホール等の回転部材の回転角度を検出する（図４（ａ）、（ｂ））。一方、演算部１５は、トルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号、図４（ｃ））をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析することで、原動機１００のトルク変動の周波数特性を取得する。
そして、演算部１５は、回転角度、原動機１のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を検出する。燃焼角度は、トップマーク検出信号を基に得た各気筒のトップマーク（上死点又は下死点）からみた角度（クランク角）になる。
そして、演算部１５は、回転角度、原動機１のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を検出する。燃焼角度は、トップマーク検出信号を基に得た各気筒のトップマーク（上死点又は下死点）からみた角度（クランク角）になる。
各気筒のピークトルクの検出にあたって、演算部１５は、具体的には、先ず、原動機１００の１周期分のトルク検出信号（トルク変動）のデータを検出する。原動機１００が４サイクルであれば、演算部１５は、各気筒が１サイクルを完了する、クランクシャフトが２回転する間のデータを検出する。なお、このトルク検出信号（原動機１００の出力）のデータには、燃焼出力及びイナーシャ成分（可算分・吸収分）が含まれている。一方、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図４（ｄ−１）、（ｅ−１）、（ｆ−１）、（ｇ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、予測した燃焼周期を基に、トルク検出信号の検出データを各気筒毎に切り分ける。そして、演算部１５は、各気筒について１サイクル単位（「吸気」〜「排気」の１周期）で次数比スペクトルを計測する。これにより、図５に示すように、演算部１５は、各気筒について、スペクトルのピークを得て、そのスペクトルのピークを基にピークトルクを得ることができる。
また、燃焼角度については、演算部１５は、具体的には、トップマーク（トップマーク検出信号）と原動機１００のクランクシャフトやフライホール等の回転部材の回転角度又は回転検出用パルスとの相対関係と、前述のピークトルクを取得する際に得た各気筒のスペクトルの実数及び虚数とを基に、各気筒のトップマーク（上死点又は下死点）からみた角度（クランク角）として得ている。
以上にようにして得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、演算部１５は、図４（ｄ−２）、（ｅ−２）、（ｆ−２）、（ｇ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
出力部１５は、原動機１００の出力値（トルク検出信号）とともに、トルク演算部１５が得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を出力する。例えば、出力部１５から出力されたそれら値は、モニタ等の表示部に出力される。
出力部１５は、原動機１００の出力値（トルク検出信号）とともに、トルク演算部１５が得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を出力する。例えば、出力部１５から出力されたそれら値は、モニタ等の表示部に出力される。
（動作）
原動機１００を運転しつつ、トルク計測装置で処理を行う。図６は、その処理手順となる。先ず、トルク計測装置は、データ入力部１１に原動機１００の気筒数やサイクル数等の各種データが入力されるとともに（ステップＳ１）、回転検出信号等の検出データが入力される（ステップＳ２）。そして、トルク計測装置は、入力されたデータを基に、前述のように、原動機１００の各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を演算する（ステップＳ３）。そして、トルク計測装置は、演算により得た原動機１００の各気筒のピークトルク及びその燃焼角度をモニタ等に出力する（ステップＳ４）。
原動機１００を運転しつつ、トルク計測装置で処理を行う。図６は、その処理手順となる。先ず、トルク計測装置は、データ入力部１１に原動機１００の気筒数やサイクル数等の各種データが入力されるとともに（ステップＳ１）、回転検出信号等の検出データが入力される（ステップＳ２）。そして、トルク計測装置は、入力されたデータを基に、前述のように、原動機１００の各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を演算する（ステップＳ３）。そして、トルク計測装置は、演算により得た原動機１００の各気筒のピークトルク及びその燃焼角度をモニタ等に出力する（ステップＳ４）。
なお、この実施形態では、トルク検出部４は、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出する出力トルク検出手段を実現している。回転検出部３は、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度を検出する回転部回転角度検出手段を実現している。トップマーク検出部２は、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するピストン回転角度検出手段を実現している。トルク演算部１０は、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、前記回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、前記ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性を予測するトルク予測手段を実現している。
そして、この実施形態では、前記トルク予測手段は、前記各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測することを実現している。
また、この実施形態では、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、を有する原動機のトルク計測方法を実現している。
また、この実施形態では、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、を有する原動機のトルク計測方法を実現している。
また、この実施形態では、複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、をコンピュータに実行させて原動機のトルク計測装置の機能を実現させる制御プログラムを実現している。
例えば、トップマーク検出部２、回転検出部３、トルク検出部４及び増幅アンプ５等の原動機１００から種々のデータを得る構成部、並びにトルク演算部１０を制御プログラムにより実現することができる。
例えば、トップマーク検出部２、回転検出部３、トルク検出部４及び増幅アンプ５等の原動機１００から種々のデータを得る構成部、並びにトルク演算部１０を制御プログラムにより実現することができる。
（作用及び効果）
（１）トルク計測装置は、複数気筒を有する原動機１００のトルク検出信号、原動機１００で各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４が連結される回転部の回転角度（回転検出信号）、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４の回転角度（トップマーク検出信号）、並びに原動機１００の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度の少なくとも一方を予測している。これにより、トルク計測装置は、各気筒に燃焼圧力検出器を設けること等せずに、簡単な構成で、各気筒のピークトルクやその燃焼角度を予測できる。
（１）トルク計測装置は、複数気筒を有する原動機１００のトルク検出信号、原動機１００で各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４が連結される回転部の回転角度（回転検出信号）、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４の回転角度（トップマーク検出信号）、並びに原動機１００の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度の少なくとも一方を予測している。これにより、トルク計測装置は、各気筒に燃焼圧力検出器を設けること等せずに、簡単な構成で、各気筒のピークトルクやその燃焼角度を予測できる。
これにより、トルク計測装置は、原動機の燃焼馬力から、「冷却損失」、「排気損失」、「機械損失」をマイナスした一般的に「出力（馬力）」と言われる性能を測定する原動機出力性能機である動力計単体として、原動機の各気筒のピークトルクを測定できる。これにより、トルク計測装置は、燃焼状態を容易に把握でき、各気筒へ供給する燃料供給の調整を容易にできるため、原動機の燃焼状態を最良の状態にすることができる。
（２）トルク計測装置は、原動機１００の気筒数及びサイクル数を基に、トルク検出信号を各気筒に対応付けて切り分け、その切り分けた信号の周波数をスペクトル解析することで、各気筒のピークトルクを予測している。
これにより、トルク計測装置は、簡単に各気筒のピークトルクを予測できる。
（３）トルク計測装置は、回転部の回転角度（回転検出信号）、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４の回転角度（トップマーク検出信号）及びスペクトル解析結果を基に、各気筒のピークトルクを得る燃焼角度を予測している。
これにより、トルク計測装置は、簡単に燃焼角度を予測できる。
これにより、トルク計測装置は、簡単に各気筒のピークトルクを予測できる。
（３）トルク計測装置は、回転部の回転角度（回転検出信号）、各気筒のピストン１０１，１０２，１０３，１０４の回転角度（トップマーク検出信号）及びスペクトル解析結果を基に、各気筒のピークトルクを得る燃焼角度を予測している。
これにより、トルク計測装置は、簡単に燃焼角度を予測できる。
（実施形態の変形例）
（１）図７に示すように、回転負荷１を船舶の推進に用いられるスクリューで構成することもできる。この場合、スクリューに流体による回転抵抗を与えて、回転負荷とする。
（２）本実施形態では、トップマーク検出部２は、フライホイールの各気筒の上死点又は下死点に相当する位置に付したトップマークを検出し、その検出に対応してトップマーク検出信号を生成している。しかし、トップマーク検出信号がこのような構成により生成されることに限定されるものではない。すなわち、トップマーク検出信号は、各気筒の上死点又は下死点、或いは原動機の１過程又は１作用を特定できるものであれば良い。例えば、トップマーク検出信号を原動機（気筒）の２行程を単位（クランクシャフトの１回転単位）として生成したとしても、そのトップマーク検出信号と回転検出用パルスとの関係から、各気筒の上死点又は下死点或いは原動機の１過程又は１作用を特定できるからである。
（１）図７に示すように、回転負荷１を船舶の推進に用いられるスクリューで構成することもできる。この場合、スクリューに流体による回転抵抗を与えて、回転負荷とする。
（２）本実施形態では、トップマーク検出部２は、フライホイールの各気筒の上死点又は下死点に相当する位置に付したトップマークを検出し、その検出に対応してトップマーク検出信号を生成している。しかし、トップマーク検出信号がこのような構成により生成されることに限定されるものではない。すなわち、トップマーク検出信号は、各気筒の上死点又は下死点、或いは原動機の１過程又は１作用を特定できるものであれば良い。例えば、トップマーク検出信号を原動機（気筒）の２行程を単位（クランクシャフトの１回転単位）として生成したとしても、そのトップマーク検出信号と回転検出用パルスとの関係から、各気筒の上死点又は下死点或いは原動機の１過程又は１作用を特定できるからである。
（３）トルク計測装置は、４サイクルの原動機の１サイクルを構成する行程（過程、作用又はクランクシャフトの１／２回転）単位のトップマーク検出信号を基に、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を得ることもできる。
図８は、その処理手順を示す。この処理手順を、図９及び図１０を併せて用いて説明する。図９は、各気筒の吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、及び排気行程の各行程（各過程又は各作用）、回転検出用パルス、トップマーク検出信号、並びにトルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号）の関係の一例を示す。図１０は、スペクトルと燃焼角度との関係の一例を示す。
図８は、その処理手順を示す。この処理手順を、図９及び図１０を併せて用いて説明する。図９は、各気筒の吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、及び排気行程の各行程（各過程又は各作用）、回転検出用パルス、トップマーク検出信号、並びにトルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号）の関係の一例を示す。図１０は、スペクトルと燃焼角度との関係の一例を示す。
図８に示すように、先ずステップＳ１１において、トルク計測装置は、データを計測する。具体的には、回転検出部３が、前述の説明と同様に、回転検出信号（回転検出用パルス）を生成し、生成した回転検出信号（図９（ｅ））をトルク演算部１０に出力する。また、トップマーク検出部２が、前述の説明と同様に、トップマークを検出して、トップマーク検出信号（図９（ｆ））をトルク演算部１０に出力する。さらに、トルク検出部４が、前述の説明と同様に、トルク検出信号を生成し、生成したトルク検出信号（増幅されたトルク検出信号、図９（ｇ））をトルク演算部１０に出力する。
ここで、トップマーク検出部２は、図９（ｆ）に示すように、２行程単位（クランクシャフトの１回転単位）でトップマーク検出信号を生成している。また、トップマーク検出部２は、回転検出信号（回転検出用パルス）を基に得た回転角度からトップマーク検出信号を生成することもできる。
ここで、トップマーク検出部２は、図９（ｆ）に示すように、２行程単位（クランクシャフトの１回転単位）でトップマーク検出信号を生成している。また、トップマーク検出部２は、回転検出信号（回転検出用パルス）を基に得た回転角度からトップマーク検出信号を生成することもできる。
続いてステップＳ１２において、トルク計測装置は、処理データを抽出する。具体的には、トルク演算部１０の演算部１５は、回転検出信号（図９（ｅ））及びトップマーク検出信号（図９（ｆ））を基に、トルク検出信号（図９（ｇ））から所定長（１行程又はクランクシャフトの１／２回転分相当）のデータ（以下、処理データという。）を抽出する。すなわち、演算部１５は、トップマーク検出信号（図９（ｆ））を基準として回転検出信号を基にトルク検出信号（図９（ｇ））の所定区間を特定して、特定した所定区間のトルク検出信号（図９（ｇ））を処理データとして抽出する。このとき、演算部１５は、気筒数に応じた数だけ処理データを連続して抽出する。本実施形態のように原動機が４気筒の場合、演算部１５は、少なくとも４つの処理データを連続して抽出する。
続いてステップＳ１３において、トルク計測装置は、ＦＦＴ処理によりスペクトル値を算出する。すなわち、演算部１５は、前記ステップＳ１２で抽出した処理データ（複数の各処理データ）をＦＦＴ処理し、スペクトル値を算出する。
続いてステップＳ１４において、トルク計測装置は、ピークトルク及びその燃焼角度を算出する。具体的には、演算部１５は、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルのピークを基に、ピークトルクを得る。さらに、演算部１５は、図１０に示すように、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルの実数及び虚数を基に、ピークトルクを得た燃焼角度を算出する。
続いてステップＳ１４において、トルク計測装置は、ピークトルク及びその燃焼角度を算出する。具体的には、演算部１５は、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルのピークを基に、ピークトルクを得る。さらに、演算部１５は、図１０に示すように、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルの実数及び虚数を基に、ピークトルクを得た燃焼角度を算出する。
このとき、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出する。そのために、演算部１５は、前記ステップＳ１２で１行程単位で抽出した処理データに、該行程で燃焼行程となる気筒を対応付けている。ここで、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、前述のように、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図９（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）、（ｄ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、各処理データに、予測した燃焼周期で燃焼行程となる気筒を対応付けている。例えば、演算部１５は、図９の例では、最初の抽出した処理データに燃焼行程にある第３気筒を対応づける。
このようにすることで、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出できる。
演算部１５は、このように算出した各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、図９（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
このようにすることで、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出できる。
演算部１５は、このように算出した各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、図９（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
（４）本実施形態では、４気筒、４サイクルの原動機を例に挙げている。これに対して、４気筒よりも少なかったり、又は多かったり、若しくは２サイクルの原動機に本発明を適用することもできる。
（５）トルク計測装置は、前述したような４サイクルの原動機について説明（前記図４を用いた説明）したのと同様な処理手順により、２サイクルの原動機についても、回転角度、原動機のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を検出することもできる。
図１１は、４サイクルの原動機について示す前記図４に対応するものであり、２サイクルの原動機について得られる回転検出用パルス、回転角度、トルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号）、及び各気筒の各過程（吸気過程、圧縮過程、燃焼過程、排気過程）の関係の一例を示す。
（５）トルク計測装置は、前述したような４サイクルの原動機について説明（前記図４を用いた説明）したのと同様な処理手順により、２サイクルの原動機についても、回転角度、原動機のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を検出することもできる。
図１１は、４サイクルの原動機について示す前記図４に対応するものであり、２サイクルの原動機について得られる回転検出用パルス、回転角度、トルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号）、及び各気筒の各過程（吸気過程、圧縮過程、燃焼過程、排気過程）の関係の一例を示す。
（６）トルク計測装置は、２サイクルの原動機の１サイクルを構成する過程（作用又はクランクシャフトの１／４回転）単位のトップマーク検出信号を基に、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を得ることもできる。この場合、トルク計測装置は、２サイクルの原動機の場合でも、４サイクルの原動機の処理手順を示す図８と同様な処理手順により、各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を得ることができる。
図１２は、４サイクルの原動機について示す前記図９に対応するものであり、２サイクルの原動機について得られる各気筒の吸気過程、圧縮過程、燃焼過程、及び排気過程の各過程（各作用）、回転検出用パルス、トップマーク検出信号、並びにトルク検出信号（動力計Ｌ／Ｃ信号）の関係の一例を示す。
ここで、トップマーク検出部２は、図１２（ｆ）に示すように、２行程単位（クランクシャフトの１回転単位）でトップマーク検出信号を生成している。
ここで、トップマーク検出部２は、図１２（ｆ）に示すように、２行程単位（クランクシャフトの１回転単位）でトップマーク検出信号を生成している。
本発明は、原動機の各気筒のトルク特性を簡単な構成で予測できるトルク計測装置及びその方法、並びに制御プログラムを実現するために有効に利用できる。
１ 回転負荷、２ トップマーク検出部（ピストン回転角度検出手段）、３ 回転検出部（回転部回転角度検出手段）、４ トルク検出部（出力トルク検出手段）、５ 増幅アンプ、１０ トルク演算部（トルク予測手段）、１１ データ入力部、１２ パルス入力部、１３ アナログ入力部、１４ 出力部、１５ 演算部、１００ 原動機
【０００１】
技術分野
［０００１］
本発明は、複数気筒を有する原動機について、その各気筒のトルク特性を計測するトルク計測装置及びその方法、並びに制御プログラムに関する。
背景技術
［０００２］
従来より、原動機の状態を推定する装置が様々提案されている。例えば特許文献１に開示の技術では、出力計測用として燃焼圧力検出器（内筒圧力検出手段）を備えている。このような燃焼圧力検出器を各気筒に備えることで、各燃焼圧力検出器から得た信号を基に、各気筒の出力を推定できる。
先行技術文献
特許文献
［０００３］
特許文献１：特開２００６−２４２１４６号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００４］
しかしながら、燃焼圧力検出器を各気筒に取り付けるため、シリンダブロックに機械加工が必要になったり、その機械加工により、エンジン自体に構造上の応力変化が生じたりしてしまう。また、燃焼圧力検出器も高価であり、燃焼圧力検出器の強度不足等の問題もある。
本発明の課題は、簡単な構成で、各気筒の出力（トルク）特性を推定することである。
課題を解決するための手段
［０００５］
前記課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載の原動機のトルク計測装置は、複数気筒を有する原動機に負荷を付与する負荷手段と、前記負荷手段により負荷が付与されている前記原動機の出力トルクを信号として検出する出力トルク検出手段と、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部
技術分野
［０００１］
本発明は、複数気筒を有する原動機について、その各気筒のトルク特性を計測するトルク計測装置及びその方法、並びに制御プログラムに関する。
背景技術
［０００２］
従来より、原動機の状態を推定する装置が様々提案されている。例えば特許文献１に開示の技術では、出力計測用として燃焼圧力検出器（内筒圧力検出手段）を備えている。このような燃焼圧力検出器を各気筒に備えることで、各燃焼圧力検出器から得た信号を基に、各気筒の出力を推定できる。
先行技術文献
特許文献
［０００３］
特許文献１：特開２００６−２４２１４６号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
［０００４］
しかしながら、燃焼圧力検出器を各気筒に取り付けるため、シリンダブロックに機械加工が必要になったり、その機械加工により、エンジン自体に構造上の応力変化が生じたりしてしまう。また、燃焼圧力検出器も高価であり、燃焼圧力検出器の強度不足等の問題もある。
本発明の課題は、簡単な構成で、各気筒の出力（トルク）特性を推定することである。
課題を解決するための手段
［０００５］
前記課題を解決するために、本発明に係る請求項１に記載の原動機のトルク計測装置は、複数気筒を有する原動機に負荷を付与する負荷手段と、前記負荷手段により負荷が付与されている前記原動機の出力トルクを信号として検出する出力トルク検出手段と、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部
【０００３】
筒を有する原動機に負荷を付与しつつ該原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップとを有する。
［０００９］
また、本発明に係る請求項７に記載の制御プログラムは、複数気筒を有する原動機に負荷を付与しつつ該原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、をコンピュータに実行させて原動機のトルク計測装置の機能を実現させる。
発明の効果
［００１０］
本発明によれば、出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測しており、簡単な構成でその各気筒のトルク特性を予測できる。
図面の簡単な説明
［００１１］
［図１］本発明の実施形態の原動機のトルク計測装置の構成の一部を示す図である。
［図２］本発明の実施形態の原動機のトルク計測装置の構成の一部を示す他の図である。
［図３］原動機の構成例を示す図である。
［図４］各種信号等を示すタイムチャートである。
筒を有する原動機に負荷を付与しつつ該原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップとを有する。
［０００９］
また、本発明に係る請求項７に記載の制御プログラムは、複数気筒を有する原動機に負荷を付与しつつ該原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、をコンピュータに実行させて原動機のトルク計測装置の機能を実現させる。
発明の効果
［００１０］
本発明によれば、出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測しており、簡単な構成でその各気筒のトルク特性を予測できる。
図面の簡単な説明
［００１１］
［図１］本発明の実施形態の原動機のトルク計測装置の構成の一部を示す図である。
［図２］本発明の実施形態の原動機のトルク計測装置の構成の一部を示す他の図である。
［図３］原動機の構成例を示す図である。
［図４］各種信号等を示すタイムチャートである。
【０００７】
ず、原動機１００の１周期分のトルク検出信号（トルク変動）のデータを検出する。原動機１００が４サイクルであれば、演算部１５は、各気筒が１サイクルを完了する、クランクシャフトが２回転する間のデータを検出する。なお、このトルク検出信号（原動機１００の出力）のデータには、燃焼出力及びイナーシャ成分（可算分・吸収分）が含まれている。一方、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図４（ｄ−１）、（ｅ−１）、（ｆ−１）、（ｇ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、予測した燃焼周期を基に、トルク検出信号の検出データを各気筒毎に切り分ける。そして、演算部１５は、各気筒について１サイクル単位（「吸気」〜「排気」の１周期）で次数比スペクトルを計測する。これにより、図５に示すように、演算部１５は、各気筒について、スペクトルのピークを得て、そのスペクトルのピークを基にピークトルクを得ることができる。
［００２１］
また、燃焼角度については、演算部１５は、具体的には、トップマーク（トップマーク検出信号）と原動機１００のクランクシャフトやフライホール等の回転部材の回転角度又は回転検出用パルスとの相対関係と、前述のピークトルクを取得する際に得た各気筒のスペクトルの実数及び虚数とを基に、各気筒のトップマーク（上死点又は下死点）からみた角度（クランク角）として得ている。
［００２２］
以上にようにして得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、演算部１５は、図４（ｄ−２）、（ｅ−２）、（ｆ−２）、（ｇ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
出力部１４は、原動機１００の出力値（トルク検出信号）とともに、トルク演算部１５が得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を出力する。例えば、出力部１４から出力されたそれら値は、モニタ等の表示部に出力される。
［００２３］
（動作）
ず、原動機１００の１周期分のトルク検出信号（トルク変動）のデータを検出する。原動機１００が４サイクルであれば、演算部１５は、各気筒が１サイクルを完了する、クランクシャフトが２回転する間のデータを検出する。なお、このトルク検出信号（原動機１００の出力）のデータには、燃焼出力及びイナーシャ成分（可算分・吸収分）が含まれている。一方、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図４（ｄ−１）、（ｅ−１）、（ｆ−１）、（ｇ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、予測した燃焼周期を基に、トルク検出信号の検出データを各気筒毎に切り分ける。そして、演算部１５は、各気筒について１サイクル単位（「吸気」〜「排気」の１周期）で次数比スペクトルを計測する。これにより、図５に示すように、演算部１５は、各気筒について、スペクトルのピークを得て、そのスペクトルのピークを基にピークトルクを得ることができる。
［００２１］
また、燃焼角度については、演算部１５は、具体的には、トップマーク（トップマーク検出信号）と原動機１００のクランクシャフトやフライホール等の回転部材の回転角度又は回転検出用パルスとの相対関係と、前述のピークトルクを取得する際に得た各気筒のスペクトルの実数及び虚数とを基に、各気筒のトップマーク（上死点又は下死点）からみた角度（クランク角）として得ている。
［００２２］
以上にようにして得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、演算部１５は、図４（ｄ−２）、（ｅ−２）、（ｆ−２）、（ｇ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
出力部１４は、原動機１００の出力値（トルク検出信号）とともに、トルク演算部１５が得た各気筒のピークトルク及びその燃焼角度を出力する。例えば、出力部１４から出力されたそれら値は、モニタ等の表示部に出力される。
［００２３］
（動作）
【００１２】
算出する。
続いてステップＳ１４において、トルク計測装置は、ピークトルク及びその燃焼角度を算出する。具体的には、演算部１５は、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルのピークを基に、ピークトルクを得る。さらに、演算部１５は、図１０に示すように、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルの実数及び虚数を基に、ピークトルクを得た燃焼角度を算出する。
［００３５］
このとき、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出する。そのために、演算部１５は、前記ステップＳ１２で１行程単位で抽出した処理データに、各行程で燃焼行程となる気筒を対応付けている。ここで、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、前述のように、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図９（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）、（ｄ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、各処理データに、予測した燃焼周期で燃焼行程となる気筒を対応付けている。例えば、演算部１５は、図９の例では、最初の抽出した処理データに燃焼行程にある第３気筒を対応づける。
このようにすることで、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出できる。
演算部１５は、このように算出した各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、図９（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
［００３６］
（４）本実施形態では、４気筒、４サイクルの原動機を例に挙げている。これに対して、４気筒よりも少なかったり、又は多かったり、若しくは２サイクルの原動機に本発明を適用することもできる。
（５）トルク計測装置は、前述したような４サイクルの原動機について説明（前記図４を用いた説明）したのと同様な処理手順により、２サイクルの原動機についても、回転角度、原動機のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピ
算出する。
続いてステップＳ１４において、トルク計測装置は、ピークトルク及びその燃焼角度を算出する。具体的には、演算部１５は、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルのピークを基に、ピークトルクを得る。さらに、演算部１５は、図１０に示すように、前記ステップＳ１３で算出したスペクトルの実数及び虚数を基に、ピークトルクを得た燃焼角度を算出する。
［００３５］
このとき、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出する。そのために、演算部１５は、前記ステップＳ１２で１行程単位で抽出した処理データに、各行程で燃焼行程となる気筒を対応付けている。ここで、演算部１５は、気筒数及びサイクル数を基に、前述のように、各気筒の燃焼周期（１サイクル）を予測する。例えば、演算部１５は、図９（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）、（ｄ−１）に示すように、第１〜第４気筒の燃焼周期を予測する。そして、演算部１５は、各処理データに、予測した燃焼周期で燃焼行程となる気筒を対応付けている。例えば、演算部１５は、図９の例では、最初の抽出した処理データに燃焼行程にある第３気筒を対応づける。
このようにすることで、演算部１５は、各気筒に対応付けてピークトルク及びその燃焼角度を算出できる。
演算部１５は、このように算出した各気筒のピークトルク及びその燃焼角度により、図９（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）に示すように、各気筒のトルク変動（予想トルク）を得ることができる。
［００３６］
（４）本実施形態では、４気筒、４サイクルの原動機を例に挙げている。これに対して、４気筒よりも少なかったり、又は多かったり、若しくは２サイクルの原動機に本発明を適用することもできる。
（５）トルク計測装置は、前述したような４サイクルの原動機について説明（前記図４を用いた説明）したのと同様な処理手順により、２サイクルの原動機についても、回転角度、原動機のトルク変動の周波数特性、トップマーク検出信号及び各種データ（気筒数及びサイクル数）を用いて、各気筒のピ
Claims (7)
- 複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出する出力トルク検出手段と、
前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度を検出する回転部回転角度検出手段と、
前記各気筒のピストンの回転角度を検出するピストン回転角度検出手段と、
前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号、前記回転部回転角度検出手段が検出した回転部の回転角度、前記ピストン回転角度検出手段が検出した各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のトルク特性を予測するトルク予測手段と、を備え、
前記トルク予測手段は、前記各気筒のトルク特性として、各気筒のピークトルク及びそのピークトルクを得る燃焼角度の少なくとも一方を予測することを特徴とする原動機のトルク計測装置。 - 前記トルク予測手段は、前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号を各気筒に対応付けて切り分け、その切り分けた信号の周波数をスペクトル解析することで、各気筒のピークトルクを予測することを特徴とする請求項１に記載の原動機のトルク計測装置。
- 前記トルク予測手段は、前記回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度及び前記スペクトル解析結果を基に、前記燃焼角度を予測することを特徴とする請求項２に記載の原動機のトルク計測装置。
- 前記トルク予測手段は、前記回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、前記出力トルク検出手段が検出した出力トルクの信号を前記原動機の１サイクルを構成する過程単位で切り分け、その切り分けた信号の周波数をスペクトル解析することで、各気筒のピークトルクを予測することを特徴とする請求項１に記載の原動機のトルク計測装置。
- 前記トルク予測手段は、前記スペクトル解析結果を基に、前記燃焼角度を予測することを特徴とする請求項４に記載の原動機のトルク計測装置。
- 複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、
検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、
を有することを特徴とする原動機のトルク計測方法。 - 複数気筒を有する原動機の出力トルクを信号として検出するとともに、前記原動機で各気筒のピストンが連結される回転部の回転角度、前記各気筒のピストンの回転角度を検出するステップと、
検出した出力トルクの信号、回転部の回転角度、各気筒のピストンの回転角度、並びに前記原動機の気筒数及びサイクル数を基に、各気筒のピークトルク及び燃焼角度の少なくとも一方を予測するステップと、
をコンピュータに実行させて原動機のトルク計測装置の機能を実現させる制御プログラム。
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