(57)【要約】【課題】内燃機関における燃焼状態を、早期に高精度で検知する方法を提供する。【解決手段】内燃機関１〜４は、排気圧力センサ８０、筒内圧力センサ８１、電磁ピックアップ８２、および燃料センサ８３と、データ収集装置９０と、データ解析装置９１〜９４とを備える。データ解析装置９１〜９４は、排気圧力センサ８０が検出する排気通路３４での排気圧力または筒内圧力センサ８１が検出する燃焼室４０での筒内圧力と、電磁ピックアップ８２が検出する回転数と、燃料センサ８３が検出する燃料投入量とを受け取り、これに対して周波数分析を行い、その結果に応じて燃焼状態の判定を行う。【選択図】図７
2008190489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における燃焼状態を検知する方法であって、
前記内燃機関は、燃料を燃焼させるための燃焼室を備え、
前記燃焼室の内部、または、前記燃焼室から排気ガスを排出する排気通路の内部において、圧力の時系列データを検出することと、
前記時系列データに対し、周波数に関連する分析を行うことと、
前記分析の結果に応じて燃焼状態の判定を行うことと
を含む、内燃機関における燃焼状態を検知する方法。
【請求項２】
前記分析の結果に応じた燃焼状態の判定は、
前記分析の結果における、所定の周波数に対応する圧力に基づくものである
請求項１に記載の内燃機関における燃焼状態を検知する方法。
【請求項３】
前記分析の結果に応じた燃焼状態の判定は、
前記分析の結果における、圧力を最大とする周波数に基づくものである
請求項１に記載の内燃機関における燃焼状態を検知する方法。
【請求項４】
前記分析は、
前記時系列データに対してウェーブレット解析を行って、周波数および時間を変数として圧力を与える第一関数を求めることと、
周波数を変数として、前記第一関数においてその周波数に対して圧力が最大となる時間を与える第二関数を求めることと
を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関における燃焼状態を検知する方法。
【請求項５】
前記判定は、前記内燃機関の機関負荷率に応じて異なる値を基準とする判定であり、
前記機関負荷率に応じて異なる値は、前記内燃機関の機関型式に応じてあらかじめ定められる
請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関における燃焼状態を検知する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関における燃焼状態を検知する方法に関し、とくにガスの圧力の周波数分析を用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関における燃焼状態の変化、とくに燃焼悪化に影響を与える前提条件として、空気過剰率の変化、燃料成分、燃料消費率、燃焼室密閉性、燃焼噴射状態が挙げられる。これらの前提条件の単一、または複数の変化により、燃焼状態は影響を受ける。燃焼状態が正常状態から変化すると、燃焼室構成部品の汚損、磨耗など、機関の重大な故障につながる可能性がある。
【０００３】
このため、燃焼状態を検知する方法として、給気圧力の計測による評価方法や、排気温度の計測による燃焼状態の評価方法が知られている。このような技術の例は、特許文献１に示される。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４６９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の検知方法では、早期に高精度の状態検知を行うことはできなかった。
たとえば、給気圧力の計測による燃焼状態の評価は、空燃比の観点から、空気量を評価することにならないため、燃焼状態を検知することに対しては間接的で精度に欠ける。これは、過給機の劣化・汚損等により、過給機の効率が低下し、給気圧力が低下することがあり、このために、燃料の投入量が同じでも空燃比が異なる場合があるからである。すなわち、給気圧力の計測は、空燃比を表すものとはいえない。
また、排気温度の計測による燃焼状態の評価では、給気のオーバーラップが誤差として含まれるので、燃焼状態の変化そのものを判定する方法としては精度に欠ける。また、負荷変動に対する排気温度の変化は、時間的遅れが大きいため、即時評価が困難である。
【０００６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、内燃機関における燃焼状態を、早期に高精度で検知する方法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】
【０００７】
上述の問題点を解決するため、この発明に係る内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、内燃機関における燃焼状態を検知する方法であって、内燃機関は、燃料を燃焼させるための燃焼室を備え、燃焼室の内部、または、燃焼室から排気ガスを排出する排気通路の内部において、圧力の時系列データを検出することと、時系列データに対し、周波数に関連する分析を行うことと、分析の結果に応じて燃焼状態の判定を行うこととを含む。
【０００８】
分析の結果に応じた燃焼状態の判定は、分析の結果における、所定の周波数に対応する圧力に基づくものであってもよい。
分析の結果に応じた燃焼状態の判定は、分析の結果における、圧力を最大とする周波数に基づくものであってもよい。
分析は、時系列データに対してウェーブレット解析を行って、周波数および時間を変数として圧力を与える第一関数を求めることと、周波数を変数として、第一関数においてその周波数に対して圧力が最大となる時間を与える第二関数を求めることとを含んでもよい。
判定は、内燃機関の機関負荷率に応じて異なる値を基準とする判定であり、機関負荷率に応じて異なる値は、内燃機関の機関型式に応じてあらかじめ定められてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、燃焼室または排気通路におけるガスの圧力を用いるので高精度の検知を可能とし、また、圧力の周波数分析を行うので、早期の検知を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る内燃機関１の構成を示す。
内燃機関１は、一方向に開口を有するハウジングを含む。このハウジングは、両端が開口した中空筒状のシリンダブロック１２と、シリンダブロック１２の一端に取り付けられるクランクケース１４とを含む。シリンダブロック１２の他端には、シリンダカバー１０が取り付けられる。
【００１１】
シリンダブロック１２の内部に、ピストン１６が摺動可能に設けられる。また、クランクケース１４の内部には、ピストン１６の摺動方向に対して垂直なクランク軸の周りに回転する、クランクシャフト１８が設けられる。クランクシャフト１８には、クランクシャフト１８に対して偏心した位置にクランクピン２０が設けられ、このクランクピン２０とピストン１６とはコンロッド２２によって連結される。このため、クランクシャフト１８の回転に応じ、ピストン１６がシリンダブロック１２内部を摺動する。
【００１２】
シリンダカバー１０と、シリンダブロック１２と、ピストン１６とによって囲まれる空間が、燃料を燃焼させるための燃焼室４０である。燃焼室４０は、空気を吸入する燃焼室４０の吸気口４２と、燃焼後の排気を排出する燃焼室４０の排気口４４とを備える。また、外部から吸気口４２に空気を導入する吸気管３２と、排気口４４から外部に排気ガスを排出する排気通路３４とが、それぞれその一部でシリンダカバー１０を貫通して設けられる。
吸気口４２および排気口４４には、それぞれ開閉可能な吸気弁５２および排気弁５４が取り付けられる。吸気弁５２および排気弁５４は、吸気および排気のタイミングを制御する。
【００１３】
内燃機関１は、以上のような構成をもって、外部から導入される空気と燃料とを混合して燃焼室４０内で燃焼させ、その燃焼によって得られる力の一部をクランクシャフト１８から動力として取り出すものであるが、この動作については周知の内燃機関と同様であるので、説明を省略する。
【００１４】
図２は、内燃機関１におけるデータ解析装置９１に関する構成を示す。
図１の内燃機関１において、排気通路３４はその途中に導管３４ａを備える。導管３４ａは、排気通路３４がシリンダカバー１０を貫通してその外部へと抜ける位置に、シリンダカバー１０に隣接して設けられる。この導管内に、排気ガスの圧力を検出する排気圧力センサ８０が取り付けられる。
シリンダカバー１０の燃焼室４０に面する壁面には、筒内圧力すなわち燃焼室４０内におけるガスの圧力を検出する筒内圧力センサ８１が設けられる。
また、内燃機関１には、クランクシャフト１８に連結されたフライホイール（図示せず）の回転を検出することにより、クランクシャフト１８の回転数を検出する電磁ピックアップ８２が取り付けられる。
また、内燃機関１には、燃焼室４０内に供給される燃料の量を燃料投入量として検出する、燃料センサ８３が取り付けられる。
排気圧力センサ８０、筒内圧力センサ８１、電磁ピックアップ８２、および燃料センサ８３は、検出したデータを、それぞれ外部に出力する。
【００１５】
内燃機関１は、各種データの収集および記録を行うデータレコーダであるデータ収集装置９０を備える。
データ収集装置９０は記憶手段を備え、排気圧力センサ８０、筒内圧力センサ８１、電磁ピックアップ８２、および燃料センサ８３から出力されるデータを入力として受け取って記憶する。ただし、排気圧力センサ８０および筒内圧力センサ８１の出力は、それぞれアンプ８０ａおよびアンプ８１ａによって増幅された後に入力される。
なお、アンプ８０ａおよびアンプ８１ａは、データ収集装置９０に内蔵されるものであってもよい。その場合は、排気圧力センサ８０および筒内圧力センサ８１の出力は、データ収集装置９０に入力された後で、それぞれアンプ８０ａおよびアンプ８１ａによって増幅される。
【００１６】
データ収集装置９０に接続されて、データの解析を行うデータ解析装置９１が設けられる。データ解析装置９１は、演算手段および記憶手段を含むＰＣ（パーソナルコンピュータ）である。データ解析装置９１は、その記憶手段に記憶されたプログラムであるＰＣ用解析ソフトを実行することによって、データ収集装置９０に記憶されたデータの解析を行う。ここで、データ収集装置９０は、データ解析装置９１の指示に応じ、データをデータ解析装置９１に送信する。
なお、アンプ８０ａ、アンプ８１ａ、データ収集装置９０、およびデータ解析装置９１には、それぞれ電源９６が接続され、動力源として電力を供給する。
【００１７】
図３および図４を用いて、データ解析装置９１の動作について説明する。図３および図４は、データ解析装置９１の処理の流れを示すフローチャートである。なお、図３の処理は、内燃機関１の燃焼サイクルにおける１回の排気行程について１回実行され、図４の処理は図３の処理と同期したタイミングで実行される。
【００１８】
図３に示す処理において、まず、データ解析装置９１は、データ収集装置９０から、排気ガスの圧力のデータを受け取り、これをサンプリングする（ステップＳ１１）。このステップＳ１１において受け取るデータは、内燃機関１の１サイクルにおける、排気弁５４を開いてから閉じるまでの期間のものであり、サンプリングレートは、後述するウェーブレット解析において求められる精度に応じ、適宜設定される。なお、サンプリングの対象となる期間は、排気ガスが主に排出される期間であればよく、たとえば排気弁５４が開いてから排気工程が一定角度だけ進行するまでの期間としてもよい。
【００１９】
次に、データ解析装置９１は、サンプリングされたデータに対してウェーブレット解析を実行する（ステップＳ１２）。この際の基底ウェーブレットとしては、たとえばHaarウェーブレットが用いられるが、これは他の形状のウェーブレットであってもよい。
【００２０】
次に、データ解析装置９１は、圧力がピークを示すタイミングでのスペクトル分析を行う（ステップＳ１３）。これは次のようにして行われる。
ステップＳ１２のウェーブレット解析の結果、時間および周波数の２変数を持つ関数（第一関数とする）が得られる。この関数において、周波数を定数として時間を変化させた場合の最大の圧力値を求める。これを複数の周波数について繰り返し、周波数と圧力の最大値との関係を表す関数（第二関数とする）を求める。
図５の実線は、ステップＳ１３においてこのようにして得られた、排気弁開時圧力ピーク時のスペクトル分析波形の例を示す。
【００２１】
次に、データ解析装置９１は、スペクトル分析波形のうち、特定周波数ｆ１における圧力値ＡＰｅｘｈを読み込む（ステップＳ１４）。ｆ１の値はあらかじめ設定されている。
次に、データ解析装置９１は、圧力の正常値ＳＰｅｘｈと、正常範囲の乖離値ΔＰｅｘｈとを読み込むとともに、ＳＰｅｘｈとＡＰｅｘｈとの差の絶対値がΔＰｅｘｈより大きいかどうか、すなわち｜ＳＰｅｘｈ−ＡＰｅｘｈ｜>ΔＰｅｘｈであるかどうかを判定する（ステップＳ１５）。ここで、圧力の正常値ＳＰｅｘｈおよび正常範囲の乖離値ΔＰｅｘｈは、後述する図４のステップＳ２３およびステップＳ２４において記憶手段に格納される値である。
【００２２】
｜ＳＰｅｘｈ−ＡＰｅｘｈ｜>ΔＰｅｘｈでない場合、データ解析装置９１は、内燃機関１の燃焼状態が正常であると判定する（ステップＳ１６）。逆に、｜ＳＰｅｘｈ−ＡＰｅｘｈ｜>ΔＰｅｘｈである場合、データ解析装置９１は、内燃機関１の燃焼状態が異常であると判定する（ステップＳ１７）。
なお、ステップＳ１７において、データ解析装置９１は、燃焼状態が異常であると判定されたことを示す出力を行ってもよい。これはたとえばディスプレイへの表示であってもよいし、プリンタによる印刷であってもよい。
【００２３】
図４に示す処理において、まず、データ解析装置９１は、データ収集装置９０から、回転数および燃料投入量のデータを受け取る（ステップＳ２１）。
次に、データ解析装置９１は、機関負荷率を算出する（ステップＳ２２）。このステップＳ２２では、まず、入力された回転数および燃料投入量が、あらかじめ設定された関数に代入され、これによって機関出力が算出される。次に、この機関出力に基づいて機関負荷率が算出される。ここで、
（機関出力）＝（回転数）×（燃料投入量）
（機関負荷率）＝（機関出力）÷（定格出力）×１００
である。
【００２４】
次に、データ解析装置９１は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して圧力の正常値ＳＰｅｘｈを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ２３）。
図６は、このステップＳ２３において使用される関数の例を示す。このＳＰｅｘｈは、上述した図３のステップＳ１５において判定に用いられるものであり、内燃機関１の燃焼状態が正常である場合の値を示す。この値は機関負荷率に応じて変動するものであり、図６の関数はその変動に対応するように設定される。
なお、この関数は、内燃機関１の機種すなわち機関型式の相違に依存した、再現性のある特性的な曲線を示すので、機種ごとに一定の関数として、線形モデル化等の手法によりモデル化しておくことができる。ここで機関型式とは設計仕様を意味し、同一の設計仕様である内燃機関は同一の機関型式であるとする。
【００２５】
最後に、データ解析装置９１は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して圧力の正常範囲の乖離値ΔＰｅｘｈを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ２４）。
図７は、このステップＳ２４において使用される関数の例を示す。なお、図７において、関数ΔＰｅｘｈは、関数ＳＰｅｘｈからの圧力方向両側への隔たり、すなわち正常圧力値域の幅として示されている。
ΔＰｅｘｈも、ＳＰｅｘｈと同様に機関負荷率に応じて変動するものであり、図７の関数はその変動に対応するように設定される。
【００２６】
以下、燃焼状態が正常であるか異常であるかの判定、すなわち図３のステップＳ１５における判定について例示する。
燃焼状態が正常である場合、スペクトル分析波形は、図５の実線に比較的近いものとなる。この場合、機関負荷率および特定周波数ｆ１における圧力値ＡＰｅｘｈは、図７の正常圧力値域内、たとえば点ｐ１に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９１は燃焼状態を正常であると判定する。
燃焼状態が異常である場合、スペクトル分析波形は、図５の実線から少なくとも一部分において比較的外れたもの、たとえば破線で示すものとなる。この場合、機関負荷率および特定周波数ｆ１における圧力値ＡＰｅｘｈは、図７の正常圧力値域外、たとえば点ｐ２に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９１は燃焼状態を異常であると判定する。
【００２７】
上記のように実行される燃焼状態の判定について、その妥当性を次に示す。一般に、内燃機関の燃焼状態が悪化すると、排気ガスに含まれるＣＯ（一酸化炭素）の濃度が上昇するが、上述の判定の結果と、ＣＯ濃度値の変動状況とは、以下に示すように対応して変化する。
図８は、機関負荷率が５０％、７５％、９０％、および１００％の場合の、排気ガスに含まれるＣＯ濃度値の変化を示す。それぞれの機関負荷率において、ａで示すバーは燃焼状態が正常である場合、すなわち燃焼空気量が正常である状態に対応するものであり、ｂで示すバーは燃焼状態が異常である場合の例として、燃焼空気が正常時に比較して１０％減少した状態に対応するものである。
このように、各機関負荷率において、ａの状態に対し、ｂの状態では、ＣＯ濃度値が上昇し、燃焼状態が異常であることを示している。
【００２８】
図９は、特定周波数ｆ１における圧力値ＡＰｅｘｈの変化を示す。機関負荷率として５０％、７５％、９０％、および１００％の場合を示す。また、それぞれの機関負荷率において、ａおよびｂで示すバーは、それぞれ図８の対応する機関負荷率のａおよびｂで示されるバーと同一の燃焼状態に対応する。
このように、特定周波数ｆ１での圧力値ＡＰｅｘｈの変化と、燃焼状態の変化とは相間が高く、データ解析装置９１は燃焼悪化状態を検知することができる。よって、内燃機関１は、排気ガス圧力の圧力変動成分のスペクトル分析結果から求められる特定周波数の圧力値の変化を検知することにより、排気ガス中のＣＯ濃度値の上昇が示す燃焼悪化状態を検証することが可能である。
【００２９】
このように、実施の形態１に係る内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、排気通路３４におけるガスの圧力を計測することにより、燃焼状態を直接的に評価するので、誤差が小さくなり、高精度の検知を行うことができる。
また、１サイクルごとに圧力の周波数分析を行うので、時間的遅れを含まず、早期の検知を行うことができる。
とくに、ウエーブレット解析を用いることにより、圧力変動の時間変化を追うことができるので、特定のタイミングにおける圧力の変化を検知することができる。とくに、ある特定の瞬間の周波数分布を検知することができる。
【００３０】
上述の実施の形態１では、図４のステップＳ２１〜Ｓ２２において、データ解析装置９１は、電磁ピックアップ８２によって検出される回転数と、燃料センサ８３が検出する燃料投入量に基づいて、まず機関出力を算出し、さらにこの機関出力に基づいて機関負荷を算出する。変形例として、内燃機関１は、機関出力を直接的に検出する手段、たとえば軸出力計を備え、その出力を利用してもよい。この場合、データ解析装置９１は、機関出力としては入力された値をそのまま用い、これに基づいて機関負荷を算出する。
【００３１】
実施の形態２．
実施の形態２に係る内燃機関２は、実施の形態１における特定周波数の圧力値に基づく判定を行うデータ解析装置９１を、ピーク圧力を与える周波数値に基づく判定を行うデータ解析装置９２で置き換えるものである。その他の構成については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図１０および図１１を用いて、データ解析装置９２の動作について説明する。図１０および図１１は、データ解析装置９２の処理の流れを示すフローチャートであり、それぞれの実行タイミングは実施の形態１の図３および図４のフローチャートと同様である。
【００３２】
図１０のステップＳ３１〜Ｓ３３は、実施の形態１における図３のステップＳ１１〜１３と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ３３の後、データ解析装置９２は、スペクトル分析波形のうち、圧力値がピークを示す周波数、すなわち共振周波数値ＡＦｅｘｈを読み込む（ステップＳ３４）。なお、この共振周波数値ＡＦｅｘｈは、圧力値がピークを与える周波数でなく、あらかじめ設定される特定の部分波形が表れる周波数であってもよい。
【００３３】
次に、データ解析装置９２は、共振周波数の正常値ＳＦｅｘｈと、正常範囲の乖離値ΔＦｅｘｈとを読み込むとともに、ＳＦｅｘｈとＡＦｅｘｈとの差の絶対値がΔＦｅｘｈより大きいかどうか、すなわち｜ＳＦｅｘｈ−ＡＦｅｘｈ｜>ΔＦｅｘｈであるかどうかを判定する（ステップＳ３５）。ここで、共振周波数の正常値ＳＦｅｘｈおよび正常範囲の乖離値ΔＦｅｘｈは、後述する図１１のステップＳ４３およびステップＳ４４において記憶手段に格納される値である。
【００３４】
｜ＳＦｅｘｈ−ＡＦｅｘｈ｜>ΔＦｅｘｈでない場合、データ解析装置９２は、内燃機関２の燃焼状態が正常であると判定する（ステップＳ３６）。逆に、｜ＳＦｅｘｈ−ＡＦｅｘｈ｜>ΔＦｅｘｈである場合、データ解析装置９２は、内燃機関２の燃焼状態が異常であると判定する（ステップＳ３７）。
なお、ステップＳ３７においては、実施の形態１の図３におけるステップＳ１７と同様に、データ解析装置９２は、燃焼状態が異常であると判定されたことを示す出力を行ってもよい。
【００３５】
次に、図１１に示す処理について説明する。図１１のステップＳ４１およびＳ４２は、実施の形態１における図４のステップＳ２１およびＳ２２と同様であるので説明を省略する。
【００３６】
ステップＳ４２の後、データ解析装置９２は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して共振周波数の正常値ＳＦｅｘｈを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ４３）。
図１２は、このステップＳ４３において使用される関数の例を示す。このＳＦｅｘｈは、上述した図１０のステップＳ３５において判定に用いられるものであり、内燃機関２の燃焼状態が正常である場合の値を示す。この値は機関負荷率に応じて変動するものであり、図１２の関数はその変動に対応するように設定される。
なお、この関数は、内燃機関２の機種すなわち機関型式の相違に依存した、再現性のある特性的な曲線を示すので、機種ごとに一定の関数として、線形モデル化等の手法によりモデル化しておくことができる。
【００３７】
最後に、データ解析装置９２は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して共振周波数の正常範囲の乖離値ΔＦｅｘｈを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ４４）。
図１３は、このステップＳ４４において使用される関数の例を示す。なお、図１３において、関数ΔＦｅｘｈは、関数ＳＦｅｘｈからの周波数方向両側への隔たり、すなわち正常共振周波数圧力値域の幅として示されている。
ΔＦｅｘｈも、ＳＦｅｘｈと同様に機関負荷率に応じて変動するものであり、図１３の関数はその変動に対応するように設定される。
【００３８】
以下、燃焼状態が正常であるか異常であるかの判定、すなわち図１１のステップＳ３５における判定について例示する。
燃焼状態が正常である場合、スペクトル分析波形は、図５の実線に比較的近いものとなる。この場合、共振周波数値ＡＦｅｘｈは図５のｆ２に近い値となり、機関負荷率および共振周波数値ＡＦｅｘｈは、図１３の正常共振周波数域内、たとえば点ｐ３に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９２は燃焼状態を正常であると判定する。
燃焼状態が異常である場合、スペクトル分析波形は、図５の実線から少なくとも一部分において比較的外れたもの、たとえば破線で示すものとなる。この場合、共振周波数値ＡＦｅｘｈは図５のｆ３となり、機関負荷率および共振周波数値ＡＦｅｘｈは、図１３の正常共振周波数域外、たとえば点ｐ４に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９２は燃焼状態を異常であると判定する。
【００３９】
上記のように実行される燃焼状態の判定について、その妥当性を次に示す。
図１４は、共振周波数値ＡＦｅｘｈの変化を示す。機関負荷率として５０％、７５％、９０％、および１００％の場合を示す。また、それぞれの機関負荷率において、ａおよびｂで示すバーは、それぞれ図８の対応する機関負荷率のａおよびｂで示されるバーと同一の燃焼状態に対応する。
このように、共振周波数値ＡＦｅｘｈの変化と、燃焼状態の変化とは相間が高く、データ解析装置９２は燃焼悪化状態を検知することができる。よって、内燃機関２は、排気ガス圧力の圧力変動成分のスペクトル分析結果から求められる特定の部分の周波数値の変化を検知することにより、排気ガス中のＣＯ濃度値の上昇が示す燃焼悪化状態を検証することが可能である。
【００４０】
このように、実施の形態２に係る内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、排気通路３４におけるガスの圧力を計測することにより、燃焼状態を直接的に評価するので、誤差が小さくなり、高精度の検知を行うことができる。
また、１サイクルごとに圧力の周波数分析を行うので、時間的遅れを含まず、早期の検知を行うことができる。
【００４１】
実施の形態３．
実施の形態３に係る内燃機関３は、実施の形態１における排気ガスの圧力に基づく判定を行うデータ解析装置９１を、筒内圧力に基づく判定を行うデータ解析装置９３で置き換えるものである。その他の構成については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図１５および図１６を用いて、データ解析装置９３の動作について説明する。図１５および図１６は、データ解析装置９３の処理の流れを示すフローチャートであり、それぞれの実行タイミングは実施の形態１の図３および図４のフローチャートと同様である。
【００４２】
図１５に示す処理において、まず、データ解析装置９３は、データ収集装置９０から、筒内圧力のデータを受け取り、これをサンプリングする（ステップＳ５１）。このステップＳ５１において受け取るデータの期間およびサンプリングレートは、実施の形態１のステップＳ１１（図３）におけるものと同様である。
次に、データ解析装置９３は、実施の形態１のステップＳ１２およびＳ１３（図３）と同様に、サンプリングされたデータに対してウェーブレット解析を実行し（ステップＳ５２）、圧力がピークを示すタイミングでのスペクトル分析を行う（ステップＳ５３）。
図１７の実線は、ステップＳ５３においてこのようにして得られた、筒内圧力ピーク時のスペクトル分析波形の例を示す。
【００４３】
次に、データ解析装置９３は、スペクトル分析波形のうち、特定周波数ｆ４における圧力値ＡＰｃｙｌを読み込む（ステップＳ５４）。ｆ４の値はあらかじめ設定されている。
次に、データ解析装置９３は、圧力の正常値ＳＰｃｙｌと、正常範囲の乖離値ΔＰｃｙｌとを読み込むとともに、ＳＰｃｙｌとＡＰｃｙｌとの差の絶対値がΔＰｃｙｌより大きいかどうか、すなわち｜ＳＰｃｙｌ−ＡＰｃｙｌ｜>ΔＰｃｙｌであるかどうかを判定する（ステップＳ５５）。ここで、圧力の正常値ＳＰｃｙｌおよび正常範囲の乖離値ΔＰｃｙｌは、後述する図１６のステップＳ６３およびステップＳ６４において記憶手段に格納される値である。
【００４４】
｜ＳＰｃｙｌ−ＡＰｃｙｌ｜>ΔＰｃｙｌでない場合、データ解析装置９３は、内燃機関３の燃焼状態が正常であると判定する（ステップＳ５６）。逆に、｜ＳＰｃｙｌ−ＡＰｃｙｌ｜>ΔＰｃｙｌである場合、データ解析装置９３は、内燃機関３の燃焼状態が異常であると判定する（ステップＳ５７）。
なお、ステップＳ５７においては、実施の形態１の図３におけるステップＳ１７と同様に、データ解析装置９３は、燃焼状態が異常であると判定されたことを示す出力を行ってもよい。
【００４５】
次に、図１６に示す処理について説明する。図１６のステップＳ６１およびＳ６２は、実施の形態１における図４のステップＳ２１およびＳ２２と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ６２の後、データ解析装置９３は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して圧力の正常値ＳＰｃｙｌを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ６３）。
【００４６】
図１８は、このステップＳ６３において使用される関数の例を示す。このＳＰｃｙｌは、上述した図１５のステップＳ５５において判定に用いられるものであり、内燃機関３の燃焼状態が正常である場合の値を示す。この値は機関負荷率に応じて変動するものであり、図１８の関数はその変動に対応するように設定される。
なお、この関数は、内燃機関３の機種すなわち機関型式の相違に依存した、再現性のある特性的な曲線を示すので、機種ごとに一定の関数として、線形モデル化等の手法によりモデル化しておくことができる。
【００４７】
最後に、データ解析装置９３は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して圧力の正常範囲の乖離値ΔＰｃｙｌを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ６４）。
図１９は、このステップＳ６４において使用される関数の例を示す。なお、図１９において、関数ΔＰｃｙｌは、関数ＳＰｃｙｌからの圧力方向両側への隔たり、すなわち正常圧力値域の幅として示されている。
ΔＰｃｙｌも、ＳＰｃｙｌと同様に機関負荷率に応じて変動するものであり、図１９の関数はその変動に対応するように設定される。
【００４８】
以下、燃焼状態が正常であるか異常であるかの判定、すなわち図１５のステップＳ５５における判定について例示する。
燃焼状態が正常である場合、スペクトル分析波形は、図１７の実線に比較的近いものとなる。この場合、機関負荷率および特定周波数ｆ４における圧力値ＡＰｃｙｌは、図１９の正常圧力値域内、たとえば点ｐ５に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９３は燃焼状態を正常であると判定する。
燃焼状態が異常である場合、スペクトル分析波形は、図１７の実線から少なくとも一部分において比較的外れたもの、たとえば破線で示すものとなる。この場合、機関負荷率および特定周波数ｆ４における圧力値ＡＰｃｙｌは、図１９の正常圧力値域外、たとえば点ｐ６に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９３は燃焼状態を異常であると判定する。
【００４９】
上記のように実行される燃焼状態の判定について、その妥当性を次に示す。
図２０は、特定周波数ｆ４における圧力値ＡＰｃｙｌの変化を示す。機関負荷率として５０％、７５％、９０％、および１００％の場合を示す。また、それぞれの機関負荷率において、ａおよびｂで示すバーは、それぞれ図８の対応する機関負荷率のａおよびｂで示されるバーと同一の燃焼状態に対応する。
このように、特定周波数ｆ４での圧力値ＡＰｃｙｌの変化と、燃焼状態の変化とは相間が高く、データ解析装置９３は燃焼悪化状態を検知することができる。よって、内燃機関３は、筒内圧力の圧力変動成分のスペクトル分析結果から求められる特定周波数の圧力値の変化を検知することにより、排気ガス中のＣＯ濃度値の上昇が示す燃焼悪化状態を検証することが可能である。
【００５０】
このように、実施の形態３に係る内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、燃焼室４０におけるガスの圧力を計測することにより、燃焼状態を直接的に評価するので、誤差が小さくなり、高精度の検知を行うことができる。
また、１サイクルごとに圧力の周波数分析を行うので、時間的遅れを含まず、早期の検知を行うことができる。
【００５１】
実施の形態４．
実施の形態４に係る内燃機関４は、実施の形態３における特定周波数の圧力値に基づく判定を行うデータ解析装置９３を、ピーク圧力を与える周波数値に基づく判定を行うデータ解析装置９４で置き換えるものである。その他の構成については実施の形態３と同様であるので説明を省略する。
図２１および図２２を用いて、データ解析装置９４の動作について説明する。図２１および図２２は、データ解析装置９４の処理の流れを示すフローチャートであり、それぞれの実行タイミングは実施の形態１の図３および図４のフローチャートと同様である。
【００５２】
図２１のステップＳ７１〜Ｓ７３は、実施の形態３における図１５のステップＳ５１〜５３と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ７３の後、データ解析装置９４は、スペクトル分析波形のうち、圧力値がピークを示す周波数、すなわち共振周波数値ＡＦｃｙｌを読み込む（ステップＳ７４）。
なお、この共振周波数値ＡＦｃｙｌは、圧力値がピークを与える周波数でなく、あらかじめ設定される特定の部分波形が表れる周波数であってもよい。
【００５３】
次に、データ解析装置９４は、共振周波数の正常値ＳＦｃｙｌと、正常範囲の乖離値ΔＦｃｙｌとを読み込むとともに、ＳＦｃｙｌとＡＦｃｙｌとの差の絶対値がΔＦｃｙｌより大きいかどうか、すなわち｜ＳＦｃｙｌ−ＡＦｃｙｌ｜>ΔＦｃｙｌであるかどうかを判定する（ステップＳ７５）。ここで、共振周波数の正常値ＳＦｃｙｌおよび正常範囲の乖離値ΔＦｃｙｌは、後述する図２２のステップＳ８３およびステップＳ８４において記憶手段に格納される値である。
【００５４】
｜ＳＦｃｙｌ−ＡＦｃｙｌ｜>ΔＦｃｙｌでない場合、データ解析装置９４は、内燃機関４の燃焼状態が正常であると判定する（ステップＳ７６）。逆に、｜ＳＦｃｙｌ−ＡＦｃｙｌ｜>ΔＦｃｙｌである場合、データ解析装置９４は、内燃機関４の燃焼状態が異常であると判定する（ステップＳ７７）。
なお、ステップＳ７７においては、実施の形態１の図３におけるステップＳ１７と同様に、データ解析装置９４は、燃焼状態が異常であると判定されたことを示す出力を行ってもよい。
【００５５】
次に、図２２に示す処理について説明する。図２２のステップＳ８１およびＳ８２は、実施の形態３における図１６のステップＳ６１およびＳ６２と同様であるので説明を省略する。
【００５６】
ステップＳ８２の後、データ解析装置９４は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して共振周波数の正常値ＳＦｃｙｌを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ８３）。
図２３は、このステップＳ８３において使用される関数の例を示す。このＳＦｃｙｌは、上述した図２１のステップＳ７５において判定に用いられるものであり、内燃機関４の燃焼状態が正常である場合の値を示す。この値は機関負荷率に応じて変動するものであり、図２３の関数はその変動に対応するように設定される。
なお、この関数は、内燃機関４の機種すなわち機関型式の相違に依存した、再現性のある特性的な曲線を示すので、機種ごとに一定の関数として、線形モデル化等の手法によりモデル化しておくことができる。
【００５７】
最後に、データ解析装置９４は、算出された機関負荷率を、あらかじめ設定された関数に代入して共振周波数の正常範囲の乖離値ΔＦｃｙｌを算出し、記憶手段に格納する（ステップＳ８４）。
図２４は、このステップＳ８４において使用される関数の例を示す。なお、図２４において、関数ΔＦｃｙｌは、関数ＳＦｃｙｌからの周波数方向両側への隔たり、すなわち正常共振周波数圧力値域の幅として示されている。
ΔＦｃｙｌも、ＳＦｃｙｌと同様に機関負荷率に応じて変動するものであり、図２４の関数はその変動に対応するように設定される。
【００５８】
以下、燃焼状態が正常であるか異常であるかの判定、すなわち図２１のステップＳ７５における判定について例示する。
燃焼状態が正常である場合、スペクトル分析波形は、図１７の実線に比較的近いものとなる。この場合、共振周波数値ＡＦｃｙｌは図１７のｆ５に近い値となり、機関負荷率および共振周波数値ＡＦｃｙｌは、図２４の正常共振周波数域内、たとえば点ｐ７に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９４は燃焼状態を正常であると判定する。
燃焼状態が異常である場合、スペクトル分析波形は、図１７の実線から少なくとも一部分において比較的外れたもの、たとえば破線で示すものとなる。この場合、共振周波数値ＡＦｃｙｌは図１７のｆ６となり、機関負荷率および共振周波数値ＡＦｃｙｌは、図２４の正常共振周波数域外、たとえば点ｐ８に示す値をとる。これに応じて、データ解析装置９４は燃焼状態を異常であると判定する。
【００５９】
上記のように実行される燃焼状態の判定について、その妥当性を次に示す。
図２５は、共振周波数値ＡＦｃｙｌの変化を示す。機関負荷率として５０％、７５％、９０％、および１００％の場合を示す。また、それぞれの機関負荷率において、ａおよびｂで示すバーは、それぞれ図８の対応する機関負荷率のａおよびｂで示されるバーと同一の燃焼状態に対応する。
このように、共振周波数値ＡＦｃｙｌの変化と、燃焼状態の変化とは相間が高く、データ解析装置９４は燃焼悪化状態を検知することができる。よって、内燃機関４は、筒内圧力の圧力変動成分のスペクトル分析結果から求められる特定の部分の周波数値の変化を検知することにより、排気ガス中のＣＯ濃度値の上昇が示す燃焼悪化状態を検証することが可能である。
【００６０】
このように、実施の形態４に係る内燃機関における燃焼状態を検知する方法は、燃焼室４０におけるガスの圧力を計測することにより、燃焼状態を直接的に評価するので、誤差が小さくなり、高精度の検知を行うことができる。
また、１サイクルごとに圧力の周波数分析を行うので、時間的遅れを含まず、早期の検知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１〜４に係る内燃機関１〜４の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１〜４に係るデータ解析装置９１〜９４に関する構成を示す図である。
【図３】データ解析装置９１の処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】データ解析装置９１の処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】排気弁開時圧力ピーク時のスペクトル分析波形の例を示す図である。
【図６】データ解析装置９１が圧力の正常値ＳＰｅｘｈを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図７】データ解析装置９１が圧力の正常範囲の乖離値ΔＰｅｘｈを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図８】異なる機関負荷率および異なる燃焼状態における、ＣＯ濃度値の変化を示す図である。
【図９】図８と同一の燃焼状態に対応する、特定周波数ｆ１における圧力値ＡＰｅｘｈの変化を示す図である。
【図１０】データ解析装置９２の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１１】データ解析装置９２の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】データ解析装置９２が共振周波数の正常値ＳＦｅｘｈを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図１３】データ解析装置９２が共振周波数の正常範囲の乖離値ΔＦｅｘｈを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図１４】図８と同一の燃焼状態に対応する、共振周波数値ＡＦｅｘｈの変化を示す図である。
【図１５】データ解析装置９３の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１６】データ解析装置９３の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１７】筒内圧力ピーク時のスペクトル分析波形の例を示す図である。
【図１８】データ解析装置９３が圧力の正常値ＳＰｃｙｌを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図１９】データ解析装置９３が圧力の正常範囲の乖離値ΔＰｃｙｌを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図２０】図８と同一の燃焼状態に対応する、特定周波数ｆ４における圧力値ＡＰｃｙｌの変化を示す図である。
【図２１】データ解析装置９４の処理の流れを示すフローチャートである。
【図２２】データ解析装置９４の処理の流れを示すフローチャートである。
【図２３】データ解析装置９４が共振周波数の正常値ＳＦｃｙｌを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図２４】データ解析装置９４が共振周波数の正常範囲の乖離値ΔＦｃｙｌを算出する際に使用する関数の例を示す図である。
【図２５】図８と同一の燃焼状態に対応する、共振周波数値ＡＦｃｙｌの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１〜４  内燃機関、４０  燃焼室、３４  排気通路。
【図１】
2008190489.tif 000003
【図２】
2008190489.tif 000004
【図３】
2008190489.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008190489.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2008190489.tif 000018
【図１７】
2008190489.tif 000019
【図１８】
2008190489.tif 000020
【図１９】
2008190489.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2008190489.tif 000023
【図２２】
2008190489.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
2008190489.tif 000026
【図２５】
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