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。

本開示の態様によるエンジン駆動発電システムの一実施形態のブロック図である。

本開示の態様によるピストンアセンブリの一実施形態の側断面図である。

本開示の態様による、第1の完全な吸気、圧縮、燃焼、および排気の各行程にわたってプロットした燃焼シグネチャおよびバルブシグネチャの一実施形態を示す図である。

本開示の態様による、第1の完全な吸気、圧縮、燃焼、および排気の各行程にわたって、クランク角に対してプロットした燃焼シグネチャおよびバルブシグネチャの一実施形態を、導出された事象と重ね合わせて示す図である。

ノックセンサが誤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の一実施形態を示す図である。

本開示の態様による、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ための処理の一実施形態を示すフローチャートである。

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