(57)【要約】【課題】ノック音を定量的に測定する方法は従来あった。しかし、ノック音と同じ周波数帯に現れるピストンスラップ音は、ノック音として扱われていたので、不必要に点火時期の遅角が行われ、燃費が損なわれていた。また、ノック音だけを低減しても、ピストンスラップ音が残留する結果となり、静粛で燃費のよいエンジンが提供できていなかった。【解決手段】筒内圧又は振動センサからノック音信号を推定する工程と、マイクで総エンジン放射音信号を測定する工程と、前記総エンジン放射音信号から前記ノック音信号を差し引きピストンスラップ音信号を求める工程を有することを特徴とするピストンスラップ音信号の検出方法は、ノック音とピストンスラップ音を別々に測定することができるので、静粛で燃費のよいエンジンが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内圧又は振動センサからノック音信号を推定する工程と、
マイクで総エンジン放射音信号を測定する工程と、
前記総エンジン放射音信号から前記ノック音信号を差し引きピストンスラップ音信号を求める工程を有することを特徴とするピストンスラップ音信号検出方法。
【請求項２】
筒内圧又は振動センサからノック音信号を推定する工程と、
マイクで総エンジン放射音信号を測定する工程と、
前記総エンジン放射音信号から前記ノック音信号を差し引きピストンスラップ音信号を求める工程と、前記ピストンスラップ音信号が所定値以下になるように、オフセットクランクのオフセット量若しくはピストンリング諸元を変更する工程を有することを特徴とするエンジン調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンスラップ音信号検出方法とそれを用いたエンジン調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンを有するガソリンエンジンの場合、エンジントルクは、ノック限界付近まで点火時期を進角させると向上することが知られている。しかし、ノック音が発生すると、運転者等は不快に感じるので、ノック音自体はできるだけ低減させなければならない。ノック音の大小は、従来適合者と認定される評価者によって判断されていた。しかし、これでは、評価者毎に判断がまちまちになり、正確な判断はできなかった。
【０００３】
特許文献１は、点火時期をノック限界付近に設定するガソリンエンジンの点火時期の適合工程において、マイク、筒内圧センサ、ノックセンサのいずれかのノック信号出力手段を用いて、２つのノック信号出力手段からの出力信号の相関性（類似性）を相互相関法で評価してノック判定する内燃機関のノック検出方法及びその検出方法を備えている装置の発明を開示している。
【０００４】
このノック検出方法を適合工程に適用すると、人がエンジン運転騒音の中からノック音を聞き分けることが困難である高回転領域でも、ノック判定を人の聴感に頼らずに自動的に行うことができる。
【０００５】
また、エンジン運転騒音が運転条件によって変化するため、筒内圧センサで検出するノック強度と聴感上のノック強度とは必ずしも一致しないが、特許文献１の検出方法では、２つの出力信号の相互相関値の波高値をノック強度の測定値として用いれば、ノック強度の測定値を聴感によるノック強度とほぼ対応させることができ、点火時期の適合工程で人がノック音を聞き分けて判定する必要がなくなる。
【０００６】
なお２つのノック信号出力手段の組み合わせは、マイクと筒内圧センサ、またはマイクとノックセンサの組み合わせの例がある。また、マイクなしで、筒内圧センサとノックセンサの組み合わせで相関性を評価してノックを判定する場合は、ピストンの打音によるノックに類似した振動成分を除外してノックを判定できる利点がある。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３１４３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ノック音は、燃焼室の隅の方で、局所的に高温高圧な箇所ができ、点火プラグによって発生した火炎が届く前に混合ガスが燃焼する異常燃焼が原因である。この異常燃焼が周期的に起こり、燃焼室内で圧力増減を繰り返し、シリンダブロックを介して人の聴覚で認識される音となる。ノック音は点火時期を遅角し、正常燃焼させることで防止する。
【０００９】
一方エンジンノイズとしては、ピストンピンを枢軸として搖動可能な状態になっているピストンが、上下運動する際に、シリンダライナの間に設けられたクリアランスの隙間で搖動することで、ピストンのヘッドとピストンスカートがシリンダライナに接触し発生するピストンスラップ音がある。この音もシリンダブロックを介して人の聴覚で認識される。ピストンスラップ音は、オフセットクランクのオフセット量や、ピストンリングの断面形状やエンジンオイル噴射位置の変更で改善させる。
【００１０】
ノック音もピストンスラップ音も５ｋＨｚから１０ｋＨｚ程度の音域にあり、「カリカリ」という音に聞こえる。したがって、人の聴覚では容易に区別がつかず、ピストンスラップ音も従来はノック音として扱われていた。
【００１１】
ピストンスラップ音とノック音が混じった状態の雑音をノック音として扱うと、単に点火時期の遅角だけで雑音低減を行い、必要以上に点火時期を遅角することになっていた。点火時期の遅角は、燃焼を正常燃焼にする反面、燃費の低下につながる。つまり、ピストンスラップ音とノック音を区別することなく、点火時期の遅角でエンジン雑音の低減を調整すると、燃費の低減につながるという課題があった。
【００１２】
特許文献１は、ノック音の評価を数値化し客観的に行えるようにしている。したがって、ノック音の大きさに基づいて燃費向上が望める点火時期の調節をすることができるようになった。しかし、ピストンスラップ音についてはなんの言及もない。したがって、点火時期の調節を行っても、ピストンスラップ音が残ってしまい、人が不快に感じる雑音が残るという課題が存在した。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記の課題に鑑みて想到されピストンスラップ音信号検出方法と、その検出方法を用いたエンジン調整方法を提供するものである。
【００１４】
より具体的に本発明のピストンスラップ音信号検出方法は、
筒内圧又は振動センサからノック音信号を推定する工程と、
マイクで総エンジン放射音信号を測定する工程と、
前記総エンジン放射音信号から前記ノック音信号を差し引きピストンスラップ音信号を求める工程を有することを特徴とする。 
【００１５】
また本発明のエンジン調整方法は、
筒内圧又は振動センサからノック音信号を推定する工程と、
マイクで総エンジン放射音信号を測定する工程と、
前記総エンジン放射音信号から前記ノック音信号を差し引きピストンスラップ音信号を求める工程と、前記ピストンスラップ音信号が所定値以下になるように、オフセットクランクのオフセット量若しくはピストンリング諸元を変更する工程を有することを特徴とする。 
【発明の効果】
【００１６】
従来ノック音の大きさだけに基づいて、燃費向上が望める点火時期に調整しても、人が不快に感じる音が残る可能性があった。しかし、本発明のピストンスラップ音信号検出方法を用いると、ノック音とは別に、ピストンスラップ音も検出することができる。したがって、ピトンスラップ音が低減するようにオフセットクランクのオフセット量や、ピストンリング等を調整することができるので、ノック音以外の不快音も低減することができる。また、必要以上に点火時期を遅角させることも回避できる。結果、低騒音で燃費のよいエンジンが提供できる。 
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るピストンスラップ音信号を検出する装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係るピストンスラップ音信号の検出原理を説明する図である。
【図３】総ノイズ音信号とノック音信号からノック音を求める相互相関値の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を参照しながら本発明に係るピストンスラップ音の検出方法およびピストンスラップ音を利用したエンジンの調整方法について説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨から外れない範囲内で、下記の実施形態を変更しても、本発明の技術的範囲に含まれるのは言うまでもない。
【００１９】
図１には本発明に係るピストンスラップ音を検出する際の構成について示す。検査対象となるエンジン９は、エンジン９だけを除振装置のついた固定台に載置してもよいし、車体シャーシに固定されていてもよい。ピストンスラップ音を検出した後は、オフセットクランクのオフセット量や、ピストンリング等を調整するので、エンジン９だけを固定台に載置し、検出を行った方が後の調整がやりやすく好適である。
【００２０】
検査は、アイドリングから１０００ｒｐｍ程度のエンジン回転数で検査を行う。ノック音もピストンスラップ音もエンジン回転数が高くなると、人には認識しづらくなるからである。
【００２１】
検査対象のエンジン９には、振動センサ１０を取り付ける。振動センサ１０は、エンジン９に直接取り付けるタイプのものであれば、特に限定されない。燃焼室９ａ内に設置する際は、圧力センサ１０ａを配置する。また、シリンダブロック９ｂの外壁に直接取り付ける場合は、ノック音に共振周波数を合わせたノックセンサ（圧電ピックアップセンサ）１０ｂであってもよい。振動センサ１０は、これらのセンサを含む概念である。なお、燃焼室９ａ内の圧力は「筒内圧」と呼んでよい。
【００２２】
また、検査対象のエンジン９の周囲には、マイク１２を配置する。エンジン９が発生する総エンジン放射音を測定するためである。なお、マイク１２は、１箇所だけでなくてもよい。振動センサ１０およびマイク１２は、それぞれアンプ１４ａ、１４ｂを介して解析装置２０に入力される。
【００２３】
ここで、図２を参照して、本発明に係るピストンスラップ音の検出方法の検出原理を説明する。本発明に係る検出方法の概略は、振動センサ１０からノック音Ａｎを推定し、マイク１２で、ノック音Ａｎとピストンスラップ音を含む総エンジン放射音Ａａを測定する。そして、総エンジン放射音Ａａからノック音Ａｎを差し引いたものをピストンスラップ音とする。
【００２４】
なお、ピストンスラップ音は、ノイズの差し引きを行うため電力計算をしなければならず、エネルギーとして得られる。したがって、本発明で得ることのできるのは、ピストンスラップ音のエネルギースペクトルＰｓである。これはピストンスラップ音の絶対値若しくは２乗値としてよい。これをピストンスラップ音信号Ｐｓとする。
【００２５】
振動センサ１０の信号Ｓｎは、燃焼室内の燃焼圧力に係る信号である。この信号Ｓｎは、シリンダ内の爆発に係る低い周波数の圧力が含まれる。図２（ａ）には、燃焼室９ａ内の圧力の概念図を示す。横軸はクランク軸角度で、ＴＤＣ（Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒ）は上死点を示す。縦軸は圧力を表す。燃焼室内の圧力は上死点で最大となる。上死点を過ぎてから異常燃焼によるノッキングが始まる。ここでノック音に相当する部分の信号５０が現れる。
【００２６】
そこで信号Ｓｎに、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を通過させる。ハイパスフィルタのカットオフ周波数は、ノック音に相当する部分の信号５０の周波数が通過する周波数であればよい。より具体的には５ｋＨｚ程度に設定するのが好ましい。ハイパスフィルタ通過後の信号を信号ＦＳｎとする。信号ＦＳｎの概念図を図２（ｂ）に示す。横軸はクランク軸角度であり、縦軸は圧力である。なお、図２（ａ）同様ＴＤＣを点線で示す。
【００２７】
信号ＦＳｎは、振動の発生源で観測した信号である。この信号ＦＳｎは、シリンダブロック９ｂおよび空気を介してマイク１２で計測された総エンジン放射音Ａａに含まれる。つまり、マイク１２で計測された総エンジン放射音Ａａには、シリンダブロック９ｂと空気の伝達関数Ｇ（ｓ）が乗算された信号ＦＳｎによる音（ノック音Ａｎ）が含まれていると考えられる。
【００２８】
そこで、信号ＦＳｎにシリンダブロック９ｂおよび空気の伝達関数Ｇ（ｓ）を乗算した信号を信号ＧＦＳｎとする。これはノック音Ａｎに対応する信号である。また、信号ＧＦＳｎは、実測値である信号Ｓｎを加工した結果求まるので、実測値ではなく推定値である。
【００２９】
ここで本発明では、伝達関数Ｇ（ｓ）を、信号ＦＳｎの時間軸をずらした信号とみなす。実際には、シリンダブロック９ｂを介して空気の振動を生じて音となるので、シリンダブロック９ｂの形状によって伝達関数Ｇ（ｓ）は変わる。しかし、人が不快と感じる波形は、シリンダブロック９ｂを介しても発生してくる音であるから、時間的なズレだけを考慮すれば足りると考えられる。信号ＧＦＳｎの概念図を図２（ｃ）に示す。横軸はクランク軸角度であり、縦軸は圧力である。ＴＤＣからのズレＤａは、伝達関数Ｇ（ｓ）によるものである。 
【００３０】
一方マイク１２で測定した信号Ｓａにも、燃焼室９ａでの爆発に係る低周波数の成分が存在する。信号Ｓａは総エンジン放射音Ａａに対応する信号である。図２（ｅ）には、信号Ｓａの概念図を示す。横軸は時間であり、縦軸は音圧を示す。なお、燃焼室９ａ内の圧力波形４８を参考として示す。ＴＤＣとの位置関係を示すためである。信号Ｓａに、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を通過させる。ＨＰＦ後の信号を信号ＦＳａとする。
【００３１】
信号ＦＳａによる音は、ノック音Ａｎとピストンスラップ音の総和を含む高周波帯域のノイズ信号である。図２（ｆ）に信号ＦＳａの概念図を示す。横軸はクランク軸角度で、縦軸は圧力である。点線はＴＤＣである。 
【００３２】
ノック音Ａｎに係る信号ＧＦＳｎと総エンジン放射音Ａａに係る信号ＦＳａは、差し引きを行えるように、絶対値化を行う。これはそれぞれの信号の２乗信号を用いてもよい。それぞれ絶対値化された信号を信号Ｐｎおよび信号Ｐａとする。信号Ｐｎは推定されたノック音信号と呼んでよい。また信号Ｐａは測定された総エンジン放射音信号と呼んでよい。
【００３３】
図２（ｄ）には、信号Ｐｎの概念図を、また図２（ｇ）には信号Ｐａの概念図を示す。ともに、横軸はクランク軸角度であり縦軸は圧力である。ピストンスラップ音信号Ｐｓは、Ｐａ−Ｐｎによって求められる。ピストンスラップ音信号Ｐｓの概念図を図２（ｈ）に示す。横軸はクランク軸角度であり縦軸は圧力である。 
【００３４】
次に、振動センサ１０から得られた信号のＨＰＦ後の信号ＦＳｎに対して乗算される伝達関数Ｇ（ｓ）について説明する。燃焼室９ａ内で発生する圧力は、シリンダブロック９ｂおよび空気を伝わるが、人がノック音Ａｎとして認識できる成分は、時間遅れ成分が支配的と考えられる。そこで、すでに述べたように本発明では伝達関数Ｇ（ｓ）を、信号ＦＳｎの遅延信号であると考える。
【００３５】
遅延時間Ｄｔ（クランク角度で考える場合はＤａである）は、例えば以下のようにして求める。エンジンの点火時期を進角させて、故意にノック音を発生させる。そして、この時の信号Ｐｎと信号Ｐａのピークの時の時間差をＤｔ（クランク角度ではＤａ）とする。つまり、図２（ｃ）で示したＤａはこのようにして求めることができる。 
【００３６】
なお、総エンジン放射音Ａａの信号ＦＳａと振動センサ１０からの信号ＦＳｎの相互相関値Ｒｎａを求めてもよい。これは、信号ＦＳａと信号ＦＳｎをずらせながら積を求めるものである。今信号ＦＳａと信号ＦＳｎが離散化されているとすると、相互相関値Ｒｎａは、（１）式のように求められる。
【００３７】
【数１】
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【００３８】
ここでＮは例えば、クランク軸３６０℃分を分割する数である。総エンジン放射音Ａａの信号ＦＳａの分割数であってよい。またＭはノック音の部分の分割数である。信号ＦＳｎは信号ＦＳａより短いので、Ｍ＜Ｎが成立している。（１）式の概略的な意味を図３に示す。図３を参照して、（１）式は、総エンジン放射音Ａａの信号ＦＳａ（図３（ａ））の中にノック音Ａｎの信号である信号ＦＳｎ（図３（ｂ））がどこにいるかを探す。これを行うのに、ノック音Ａｎの信号ＦＳｎを少しずつ動かしながら信号ＦＳａと乗算を行っていく。図３では、図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）が、時間軸をずらしながら信号ＦＳａと乗算を行っていく様子を示す。なお、点線はＴＤＣである。
【００３９】
乗算の結果は、次々に図３（ｅ）に加算される。しかし、信号ＦＳａと信号ＦＳｎの相関がない部分については、値が発生しない。相関のある部分でだけ、乗算値が発生する。総エンジン放射音Ａａには、ノック音信号ＦＳｎが含まれているので、信号ＦＳａ中には、必ず信号ＦＳｎに極めて類似した部分がある。したがって、この計算によって求まる相互相関値Ｒｎａ（ｋ）は、上記で求めた遅延時間Ｄｔだけ遅れた信号ＦＳｎと近似した結果が得られる。少なくとも、ピークの位置は同じ位置にでるとみなしてもよい。 
【００４０】
再び図１を参照して、解析装置２０の内部を説明する。アンプ１４ａはハイパスフィルタ１６ａに接続される。なお、アンプ１４ａの出力はＡ／Ｄ変換器１５ａを通過させ、後の信号をデジタル処理してもよい。ハイパスフィルタ１６ａの出力は、演算器２２に接続される。演算器２２は、伝達関数Ｇ（ｓ）を入力信号に作用させる。なお、ここでは演算器２２は遅延処理であってよい。また遅延時間Ｄｔ（クランク角度ではＤａ）は検査対象のエンジン毎に手動で設定してよい。演算器２２の出力は絶対値器２４ａに接続される。
【００４１】
一方アンプ１４ｂの出力はハイパスフィルタ１６ｂに接続される。なお、アンプ１４ｂの出力はＡ／Ｄ変換器１５ｂを通過させ、後の信号をデジタル処理してもよい。ハイパスフィルタ１６ｂの出力は絶対値器２４ｂに接続される。絶対値器２４ａと絶対値器２４ｂの出力は引き算部２６に接続される。
【００４２】
引き算部２６の出力は、表示器２８に接続される。なお、絶対値器２４ａの出力と、引き算部２６の出力には、別途積分器３０ａおよび３０ｂが接続されてもよい。これらの出力も表示器２８に接続される。
【００４３】
なお、アンプ１４ａ、１４ｂの後に、Ａ／Ｄ変換器１５ａおよび１５ｂを設置した場合は、解析装置２０内はソフト的に処理することもできる。したがって、ハイパスフィルタ１６ａ、１６ｂ、演算器２２、絶対値器２４ａ、２４ｂ、引き算部２６、積分器３０ａ、３０ｂは、ソフトウエアとして処理を行ってよい。 
【００４４】
図１で信号の流れを説明しておく。使用している符号は図２の場合と同じである。振動センサ１０は、燃焼室９ａ内のノック音Ａｎを検知する。アンプ１４ａによって増幅された信号Ｓｎは、解析装置２０に流れる。解析装置２０内では、ハイパスフィルタ１６ａで高周波領域だけの信号ＦＳｎとなり、演算器２２によって、シリンダブロック９ｂと空気の伝達関数Ｇ（ｓ）が作用される。具体的には信号ＦＳｎを遅延時間Ｄｔだけ遅らせる。この信号は信号ＧＦＳｎである。信号ＧＦＳｎは、絶対値器２４ａで絶対値化され信号Ｐｎとなる。なお、演算器２２は、（１）式の処理をしてもよい。
【００４５】
マイク１２は、エンジンの総エンジン放射音Ａａを測定する。この測定信号はアンプ１４ｂによって増幅され信号Ｓａとして解析装置２０に流れる。解析装置２０内では、ハイパスフィルタ１６ｂで高周波領域だけの信号ＦＳａとなり、絶対値器２４ｂで絶対値化され、信号Ｐａとなる。信号Ｐｎと信号Ｐａは引き算部２６に入力されピストンスラップ音信号Ｐｓ（Ｐａ−Ｐｎ）が出力される。 
【００４６】
以上のようにして、求めたピストンスラップ音信号Ｐｓは、そのまま表示器２８に表示してもよい。また、積分器３０によって所定の区間だけ積分を行い、ピストンスラップ音値ＶＰｓとして表示してもよい。また、ノック音Ａｎに係る信号Ｐｎも積分値を行い、ノック音値ＶＰｎとしておくことで、ノック音Ａｎとピストンスラップ音を別々に評価することができる。
【００４７】
したがって、ノック音Ａｎの低減に対しては、点火時期の調整を行い、ピストンスラップ音の低減に対しては、オフセットクランクのオフセット量や、ピストンリングやオイルリングの断面形状や、合い口の幅、オイル噴射位置や量の調整を行えば、それぞれ原因に応じた対応が可能になる。なお、ピストンリングやオイルリングの断面形状や、合い口の幅、オイル噴射位置や量の調整を総じてピストンリング諸元といってよい。このようにすれば、不必要に点火時期を遅角させることがないので、エンジンの調整による燃費の劣化を防ぐことができる。 
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明はエンジンの調整特に開発段階のエンジンの調整のための方法として好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
９  エンジン
９ａ  燃焼室
９ｂ  シリンダブロック
１０  振動センサ
１０ａ  圧力センサ
１０ｂ  ノックセンサ（圧電ピックアップセンサ）
１２  マイク
１４ａ、１４ｂ  アンプ
１５ａおよび１５ｂ  Ａ／Ｄ変換器
１６ａ、１６ｂ  ハイパスフィルタ
２０  解析装置
２２  演算器
２４ｂ  絶対値器
２４ａ  絶対値器
２６  引き算部
２８  表示器
３０ａおよび３０ｂ  積分器
５０  ノック音に相当する部分の信号
Ａｎ  ノック音
Ａａ  総エンジン放射音
Ｐｓ  ピストンスラップ音信号
信号Ｓｎ  燃焼圧力に係る信号  
信号ＦＳｎ  ハイパスフィルタ後の信号Ｓｎ  
信号ＧＦＳｎ  伝達関数Ｇ（ｓ）が作用された後の信号ＦＳｎ  
信号Ｓａ  総エンジン放射音に対応する信号  
信号ＦＳａ  ハイパスフィルタ後の信号Ｓａ  
信号Ｐｎ  ノック音信号  
信号Ｐａ  総エンジン放射音信号
Ｒｎａ  相互相関値
【図１】
2015125075.tif 000004
【図２】
2015125075.tif 000005
【図３】
2015125075.tif 000006