(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復運動装置構成要素の健全性を導出する方法であって、
コントローラを利用して、
往復運動装置に結合されたノックセンサ（３２）からの信号を受信するステップと、
１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出するステップと、
前記導出されたＴＨＤが閾値を超えているか決定するステップと
を含み、
信号クリッピングが正常な励起の下で生じないが、信号クリッピングが異常な励起の下で生じるように増幅器によって前記信号を増幅するステップであって、異常な励起が往復運動装置構成要素が摩耗していることまたは故障に近いことに対応する、増幅するステップをさらに含む、方法。
【請求項２】
前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）を取得するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）の各々が、往復運動装置構成要素の基本周波数（８８）に対応する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記閾値を取得するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記増幅器がハードウェアベースである、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記増幅器がソフトウェアベースである、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ＴＨＤを導出するステップが、前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）でＴＨＤプラスノイズ（ＴＨＤ＋Ｎ）を計算することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
全高調波歪を導出するステップが、１／４、１／３、１／２、第２、第３、および第４高調波周波数を含む周波数（９０、９２、９４）で前記信号の振幅を評価することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記ＴＨＤが前記閾値を超えているというユーザが認知できる指示を与えるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
往復運動装置を制御するように構成された往復運動装置コントローラであって、
１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）を取得し、ここで前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）の各々は往復運動装置構成要素の基本周波数（８８）に対応しており、
往復運動装置に結合されたノックセンサ（３２）からの信号を受信し、
前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出し、
前記導出されたＴＨＤが閾値を超えるか決定する
ように構成されたプロセッサ（６４）を含む往復運動装置コントローラ
を備え、
前記往復運動装置コントローラは、前記信号を増幅するように構成された増幅器（６８）をさらに備え、
前記増幅器（６８）が、信号クリッピングが正常な励起の下で生じないが、信号クリッピングが異常な励起の下で生じるように前記信号を増幅するようにさらに構成されており、異常な励起が前記１つまたは複数の往復運動装置構成要素が摩耗または故障に近いことに対応する、システム。
【請求項１１】
前記ＴＨＤを導出することが、前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）でＴＨＤプラスノイズ（ＴＨＤ＋Ｎ）を計算することを含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記プロセッサ（６４）が、前記閾値を取得するようにさらに構成された、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＴＨＤを導出することが、前記１つまたは複数の往復運動装置構成要素の１／４、１／３、１／２、第２、第３、および第４高調波周波数（９０、９２、９４）で前記信号の振幅を評価することを含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１４】
実行されたときに、
往復運動装置構成要素の基本周波数（８８）に各々が対応する１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）を取得し、
往復運動装置に結合されたノックセンサ（３２）からの信号を受信し、
前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出し、
前記導出されたＴＨＤが閾値を超えるか決定し、
歪みが存在するというユーザが認知できる指示を与える
ようにプロセッサ（６４）にさせる実行可能な命令を備え、
前記プロセッサ（６４）が、信号クリッピングが正常な励起の下で生じないが、信号クリッピングが異常な励起の下で生じるように、前記信号を増幅するようにさらに構成され、異常な励起が、往復運動装置構成要素が摩耗していることまたは故障に近いことに対応する、非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記ＴＨＤを導出することが、前記１つまたは複数の往復運動装置構成要素の１／４、１／３、１／２、第２、第３、および第４高調波周波数（９０、９２、９４）で前記信号の振幅を評価することを含む、請求項１４記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
前記ＴＨＤを導出することは、前記１つまたは複数の周波数（８８、９０、９２、９４、９６、９８）でＴＨＤプラスノイズ（ＴＨＤ＋Ｎ）を計算することを含む、請求項１４記載の非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書中に開示された主題事項は、ノックセンサに関し、より具体的には、構成要素の状態を検出するために大きいマルチシリンダ往復運動装置（例えば、内燃エンジン、往復圧縮機など）に取り付けられたノックセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には、内燃エンジンは、天然ガス、ガソリン、ディーゼルなどの炭素質燃料を燃焼し、高温かつ高圧のガスの対応する膨張を使用してエンジンのいくつかの構成要素、例えば、シリンダ内に配設されたピストンに力を加えて、ある距離にわたって構成要素を移動させる。各シリンダは、炭素質燃料の燃焼と相関関係にある開閉する１つまたは複数のバルブを備えることができる。例えば、吸気弁は空気などの酸化剤をシリンダに向けることができ、次いでこれは燃料と混合され燃焼される。次いで、燃焼流体、例えば、高温ガスは、排気弁を介してシリンダから出るように向けることができる。したがって、炭素質燃料は、負荷を駆動するのに役立つ機械的運動に変換される。例えば、負荷は、電力を発生する発電機であり得る。ノックセンサは、マルチシリンダ内燃エンジンを監視するために使用され得る。ノックセンサは、エンジンシリンダの外面に取り付けられると共に、望ましいようにエンジンが稼働しているか否か決定するのに使用することができる。
【０００３】
エンジンが稼働している間に生じる構成要素の故障は、出費が大きく、故障する構成要素をはるかに超えてエンジンに損傷を引き起こし得る。したがって、構成要素が摩耗していることを、または他のかたちで故障に近づいていることを検出するやり方を有することが有益であり、それによって構成要素は、エンジンが稼働している間に構成要素が故障する前に、交換または修理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８８４９４７１号明細書
【発明の概要】
【０００５】
以下、本来権利を主張した発明の範囲に対応しているいくつかの実施形態の概要を述べる。これらの実施形態は、クレームに記載された発明の範囲を限定するものではなく、むしろこれらの実施形態は、本発明の可能な形態についての簡単な概要を与えることが意図されているに過ぎない。実際に、本発明は、以下に記載されている各実施形態と同様であり得るまたはそれとは異なり得る様々な形態を包含し得る。
【０００６】
第１の実施形態では、往復運動装置構成要素の健全性を導出する方法は、往復運動装置に結合されたノックセンサからの信号を受信するステップと、１つまたは複数の周波数で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出するステップと、導出されたＴＨＤが閾値を超えているか決定するステップとを含む。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、往復運動装置を制御するように構成された往復運動装置コントローラを備え、この往復運動装置コントローラは、１つまたは複数の基本周波数を取得し、１つまたは複数の周波数の各々が往復運動装置構成要素の基本周波数に対応し、往復運動装置に結合されたノックセンサからの信号を受信し、１つまたは複数の周波数で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出し、導出されたＴＨＤが閾値を超えるか決定するように構成されたプロセッサを備える。
【０００８】
第３の実施形態では、非一時的コンピュータ可読媒体は、実行されたときに、１つまたは複数のエンジン構成要素の１つまたは複数の周波数を取得し、ここで１つまたは複数の周波数の各々は往復運動装置構成要素の基本周波数に対応しており、往復運動装置に結合されたノックセンサからの信号を受信し、１つまたは複数の周波数で全高調波歪（ＴＨＤ）を導出し、導出されたＴＨＤが閾値を超えるか決定し、歪みが存在するというユーザが認知できる指示を与えるようにプロセッサにさせる実行可能な命令を備える。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読んだときにより良く理解されよう。図面全体を通じて同じ符号は同じ部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】本開示の態様によるピストン組立体の一実施形態の側断面図である。
【図３】本開示の態様による高調波歪みが信号にどのように影響するのかの例示する図である。
【図４】本開示の態様による高調波歪みを有する信号のサンプルスペクトルプロットの一実施形態である。
【図５】本開示の態様による健全かつ消耗した構成要素からの信号を示すサンプルスペクトルプロットの一実施形態である。
【図６】本開示の態様によるノックセンサ信号中の全高調波歪を用いて１つまたは複数のエンジン構成要素の健全性を決定するプロセスの一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の１つまたは複数の特定の実施形態が説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、実際の実施にかかる全ての特徴が本明細書中に説明されているわけではない可能性がある。あらゆるエンジニアリングまたは設計プロジェクトにあるようないずれのそうした実際の実施についての開発において、システム関連の制約およびビジネス関連の制約の遵守など開発者の特定の目標を実現するために実施に特有の多数の決断がなされなければならず、これは実施により異なり得ることを理解されたい。さらに、そのような開発努力は、複雑で時間がかかり得るが、それにもかかわらずこの開示の利益を有する当業者にとって設計、製作、および製造に関する日常的な作業であることを理解されたい。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素が存在することを意味することが意図される。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包括的であることが意図され、挙げられた要素以外に追加の要素が存在し得ることを意味する。
【００１３】
往復運動装置（例えば、内燃エンジン、往復圧縮機など）が稼働している間の構成要素の故障は、エンジンに費用のかかる損傷を引き起こす可能性があり、その範囲は、故障部分をはるかに超える可能性がある。したがって、往復運動装置に不必要な損傷を引き起こすことなく構成要素が交換または修理ができるように、故障が生じる前に、構成要素が摩耗されているまたは他の故障近くにあることを検出するやり方を有することが有利である。エンジン内の各構成要素は基本周波数を有する。往復運動装置の動作中、健全な構成要素の共振は、基本周波数での共振によって支配される。部品が消耗するとおよび／または故障に近づくと、基本周波数の高調波の共振が増大し、歪みという結果になる。構成要素の共振はノックセンサによって感知できるので、往復運動装置構成要素の健全性は、ノックセンサ信号中の全高調波歪を監視することによって決定することができる。
【００１４】
図面を見ると、図１は、エンジン駆動発電システム１０の一部の一実施形態のブロック図を示している。以下に詳細に説明されるように、システム１０は、１つまたは複数の燃焼室１４（例えば、１個、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、１０個、１２個、１４個、１６個、１８個、２０個以上の燃焼室１４）を有するエンジン１２（例えば、往復内燃機関）を備える。図１は内燃エンジン１２を示すが、任意の往復運動装置が使用できることを理解されたい。空気供給部１６は、加圧オキシダント１８、例えば、空気、酸素、酸素富化空気、酸素減少空気、またはそれらの任意の組合せを各燃焼室１４に供給するように構成されている。燃焼室１４は、燃料供給部２２から燃料２０（例えば、液体および／またはガス燃料）を受け取るようにやはり構成され、燃料空気混合気は、各燃焼室１４内で点火し、燃焼する。高温加圧燃焼ガスは、各燃焼室１４に隣接したピストン２４をシリンダ２６内で直線的に移動させると共に、ガスによって及ぼされた圧力を回転運動に変換し、これによってシャフト２８を回転させる。さらに、シャフト２８は負荷３０に結合することができ、負荷３０はシャフト２８の回転によってパワーを受ける。例えば、負荷３０は、システム１０の回転出力によって出力を発生できる任意の適切な装置、例えば発電機であり得る。さらに、以下の説明は、オキシダント１８として空気を参照するが、任意の適切なオキシダントが開示した実施形態と共に使用されてもよい。同様に、燃料２０は、例えば、天然ガス、関連した石油ガス、プロパン、生物ガス、下水ガス、埋立地ガス、炭鉱ガスなどの任意の適切なガス燃料であり得る。
【００１５】
本明細書中に開示したシステム１０は、固定された応用例に（例えば、産業用発電エンジンに）、または可動性の応用例に（例えば、自動車または航空機に）使用されるように適合することができる。エンジン１２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り得る。エンジン１２は、任意の個数の燃焼室１４、ピストン２４、および関連したシリンダ（例えば、１個〜２４個）を備えることもできる。例えば、いくつかの実施形態では、システム１０は、シリンダ２６内で往復運動する４個、６個、８個、１０個、１６個、２４個以上のピストン２４を有する大規模な産業用レシプロエンジンを備えることができる。いくつかのそのような場合には、シリンダおよび／またはピストン２４は、およそ１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）の間の直径を有し得る。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２４は、およそ１０〜４０ｃｍ、１５〜２５ｃｍ、または約１５ｃｍの間の直径を有し得る。システム１０は、１０ｋＷから１０ＭＷの範囲内で電力を発生させることができる。いくつかの実施形態では、エンジン１２は、およそ１８００回の毎分回転数（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１２は、およそ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１２は、およそ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１２は、およそ１８００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、または９００ＲＰＭで動作することができる。例えば、例示的なエンジン１２は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒエンジン（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒタイプ２、タイプ３、タイプ４、タイプ６、またはＪ９２０  ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａエンジン（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ  ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含み得る。
【００１６】
駆動発電システム１０は、エンジン１２のエンジン「ノック」および／または他の稼働特性を検出するのに適した１つまたは複数のノックセンサ３２を備えることができる。ノックセンサ３２は、異常爆発、過早点火、および／またはピンギング（ｐｉｎｇｉｎｇ）による振動などのエンジン１２によって引き起こされる振動を感知するように構成された任意のセンサであり得る。コントローラ（例えば、往復運動装置コントローラ）、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３４に通信可能に結合されているノックセンサ３２が示されている。動作中、ノックセンサ３２からの信号は、ＥＣＵ３４に伝えられて、ノッキング状態（例えば、ピンギング）または他の挙動が存在するか決定する。次いで、ＥＣＵ３４は、望ましくない状態を改善するまたは防ぐために、いくつかのエンジン１２のパラメータを調整することができる。例えば、ＥＣＵ３４は、ノッキングを防ぐために、点火タイミングを調整するおよび／またはブースト圧を調整することができる。本明細書中にさらに説明されるように、ノックセンサ３２は、ノッキング以外の他の振動をさらに検出することができる。構成要素の健全性を解析するための以下の技法が内燃エンジンの観点から説明されるが、同じ技法が圧縮機などの他の往復運動装置に適用されてもよい。
【００１７】
図２は、レシプロエンジン１２のシリンダ２６（例えば、エンジンシリンダ）内に配設されたピストン２４を有するピストン組立体３６の一実施形態の側断面図である。シリンダ２６は、円筒形空洞４０（例えば、ボア）を画定する内側環状壁３８を有する。ピストン２４は、軸方向の軸または方向４２、径方向の軸または方向４４、および円周方向の軸または方向４６によって画定することができる。ピストン２４は、上部分４８（例えば、上ランド）を備える。上部分４８は、燃料２０および空気１８、または燃料空気混合気が、ピストン２４の往復運動中に燃焼室１４から逃げるのを概して阻止する。
【００１８】
示されているように、ピストン２４は、コネクティングロッド５２およびピン５４を介してクランクシャフト５０に取り付けられる。クランクシャフト５０は、ピストン２４の往復直線運動を回転運動に転換する。上述したように、ピストン２４が移動するにつれて、クランクシャフト５０が回転して（図１に示された）負荷３０にパワーを供給する。示されているように、燃焼室１４は、ピストン２４の上ランド４８に隣接して配設される。燃料噴射器５６は燃料２０を燃焼室１４に供給し、吸気弁５８は、空気１８が燃焼室１４へ送達されるのを制御する。排気弁６０は、エンジン１２からの排気の放出を制御する。しかしながら、燃料２０および空気１８を燃焼室１４に供給するおよび／または排気を放出するための任意の適切な要素および／または技法が利用することができ、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されたい。動作時、燃焼室１４内での燃料２０と空気１８の燃焼は、往復のやり方でピストン２４を、シリンダ２６の空洞４０内で軸方向４２に（例えば、前後に）移動させる。
【００１９】
動作中、ピストン２４がシリンダ２６中の最高点にあるとき、ピストン２４は、上死点（ＴＤＣ：ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれる位置にある。ピストン２４がシリンダ２６中の最低点にあるとき、それは、下死点（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれる位置にある。ピストン２４が上から下へまたは下から上へ移動するとき、クランクシャフト５０は、回転の２分の１だけ回転する。上から下へまたは下から上へのピストン２４の各移動は、ストロークと呼ばれ、エンジン１２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み得る。
【００２０】
エンジン１２の動作中、典型的には、吸込プロセス、圧縮プロセス、および出力プロセス、ならびに排気プロセスを含むシーケンスが行われる。吸込プロセスは、燃料と空気などの可燃混合気がシリンダ２６に引き込まれることを可能にし、したがって吸気弁５８が開放され、排気弁６０が閉鎖される。圧縮プロセスは、可燃混合気をより小さい空間に圧縮し、そして吸気弁５８と排気弁６０の両方が閉鎖される。出力プロセスは、圧縮された燃料空気混合気を点火し、これは、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。次いで、燃焼から結果として生じた圧力は、ピストン２４をＢＤＣへ強いる。典型的には、排気プロセスは、排気弁６０の開放を維持しつつ、ピストン２４をＴＤＣへ戻す。したがって、排気プロセスは、排気弁６０を通じて使用済みの燃料空気混合気を吐出する。２つ以上の吸気弁５８および排気弁６０がシリンダ２６ごとに使用されてもよいことを留意されたい。
【００２１】
エンジン１２は、クランクシャフトセンサ６２と、１つまたは複数のノックセンサ３２と、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３４とを備えることもでき、ＥＣＵ３４は、プロセッサ６４と、メモリ６６（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体）と、増幅器６８とを備えることができる。クランクシャフトセンサ６２は、クランクシャフト５０の位置および／または回転速度を感知する。したがって、クランク角度またはクランクタイミングの情報を導出することができる。すなわち、内燃エンジンを監視するとき、しばしばタイミングは、クランクシャフト５０の角度の観点で表される。例えば、４ストロークエンジン１２の全サイクルは、７２０°のサイクルとして測定することができる。１つまたは複数のノックセンサ３２は、圧電型加速度計、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、ホール効果センサ、磁歪センサ、ならびに／あるいは振動、加速度、音、および／または移動を感知するように設計された任意の他のセンサとすることができる。他の実施形態では、センサ３２は、従来の感覚でノックセンサではなくてもよいが、振動、圧力、加速度、たわみ、または移動を感知することができる任意のセンサである。
【００２２】
エンジン１２の衝突の性質により、ノックセンサ３２は、シリンダ２６の外面に取り付けたときでも、シグネチャを検出することができ得る。１つまたは複数のノックセンサ３２は、エンジン１２上の多くの様々な位置に配設することができる。例えば、図２中、１つのノックセンサ３２がシリンダ２６の片側で示されている、他の実施形態では、１つまたは複数のノックセンサ３２は、シリンダ２６のヘッド上で使用することができる。さらに、いくつかの実施形態では、単一のノックセンサ３２が、例えば、１つまたは複数の隣接したシリンダ２６と共有されてもよい。他の実施形態では、各シリンダ２６は、シリンダ２６の片側または両側に１つまたは複数のノックセンサ３２を備えることができる。クランクシャフトセンサ６２およびノックセンサ３２は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３４と電子通信状態で示されている。ＥＣＵ３４は、プロセッサ６４、メモリ６６を含み、増幅器６８を備えることもできる。メモリ６６は、プロセッサ６４によって実行できる非一時的コードまたはコンピュータ命令を記憶することができる。ＥＣＵ３４は、例えば、点火タイミング、バルブ５８、６０のタイミングの調整、燃料とオキシダント（例えば、空気）の送達の調整などによって、エンジン１２の動作を監視および制御する。ある実施形態では、増幅器６８は、ノックセンサ３２信号を増幅するために利用することができる。増幅器６８は、ハードウェアベースの増幅器、ソフトウェアベースの増幅器、またはそれらの組合せであり得る。増幅は、ノックセンサ３２によって収集されたデータをＥＣＵ３４が記録している間に、またはデータがＥＣＵ３４によって記録された後に後処理の一部として、リアルタイムでなされ得る。
【００２３】
ノックセンサ３２は、エンジンノックを検出するために使用される。エンジンノックは、正常な燃焼の覆いの外側における早すぎる燃料の燃焼である。場合によっては、ＥＣＵ３４は、エンジンの動作パラメータを調節することによってエンジンノックが起こるときにエンジンノックを減少させるまたは防ぐことを試みることができる。例えば、ＥＣＵ３４は、エンジンノックを減少させるまたは防ぐために、空気／燃料混合、点火タイミング、ブースト圧などを調整することができる。しかしながら、ノックセンサは、エンジンノックに関連していないエンジンの他の振動を検出するために使用することもできる。
【００２４】
図３は、本開示の態様による、高調波歪みが信号にどのように影響するのかについての例示７０である。周波数スペクトル７４によって示されるように、左側の信号７２は、単一周波数の正弦波信号である。構成要素が健全であるとき、ノックセンサからの信号は、１つの周波数、問題になっている構成要素の基本周波数によって支配されることになる。部品が消耗しているとき、ノックセンサ３２によって検出された信号の高調波歪みは、高調波周波数の共振がより広く行き渡るにつれて増加する。歪み信号７６および周波数スペクトル７８は、この場合は第３、第５、および第７高調波での高調波倍音がどのように信号７６のクリッピングとなるのかを示す。概して、奇数の高調波での倍音が増加するにつれて、信号７６はクリッピングを受け、矩形波に近づく。しかしながら、図３は、高調波倍音およびクリッピングがどのように関係があるのか一例として示すために単に使用されることを理解されたい。開示した実施形態は、異なるレベルの高調波歪み、および／または異なる組合せの高調波共振を含むことができる。同様に、ノックセンサ３２によって検出された信号は、図３に示された信号７２、７６とは全然似ていないものであり得る。簡潔にするため、図３に示された信号７２、７６は、正弦波を使用する。さらに、信号７２は単一周波数を有する正弦波信号を示すが、真新しい構成要素さえもある程度の高調波歪みを有し得ることを理解されたい。したがって、当業者は、単一周波数で唯一共振する健全な構成要素を期待すべきではない。
【００２５】
図４は、ノックセンサ３２からサンプリングされた高調波歪みを有する構成要素信号８６のサンプルスペクトルプロット８０の一実施形態である。プロット８０のｘ軸８２は、キロヘルツ（ｋＨｚ）単位の周波数である。プロット８０のｙ軸８４は、デシベル（ｄＢ）単位の出力である。しかしながら、他の実施形態では、ｙ軸はボルト、生ノイズ振幅、工学単位、またはいくつかの他の単位とすることができることを理解されたい。監視中の構成要素は、エンジンの任意の構成要素であり得る。例えば、構成要素は、ピストン２４、シリンダ２６、シャフト２８、コネクティングロッド５２、ピン５４、バルブ５８、６０の部品、またはエンジン中の任意の他の構成要素であり得る。構成要素信号８６は、基本周波数８８（すなわち、第１高調波）、第２高調波周波数９０、第３高調波周波数９２、第４高調波周波数９４、および第５高調波周波数９６でのピークを示す。第６高調波周波数９８が示されているが、プロット８０において第６高調波周波数９８には顕著なピークは存在しない。構成要素信号のスペクトルプロットはこれに多少似ているが、構成要素の基本周波数８８と構成要素の健全性とに応じて、異なるピーク数、異なるピーク振幅、異なる場所のピークなどをおそらく伴って、プロットはとても異なって見え得ると理解されたい。
【００２６】
図５は、ピストンスラップおよび健全なピストン組立体３６を示すピストン組立体３６のサンプルスペクトルプロット１００の一実施形態である。図４のプロット８０と同様に、プロット８０のｘ軸１０２はｋＨｚ単位の周波数である。ｙ軸１０４はノイズ振幅であり、ｄＢ、ボルト、工学単位などを含む多くの様々な単位であり得る。信号１０６は、比較的健全なピストン組立体３６の信号である。周波数が増大するとき、高調波周波数で大きいピークがないことに留意されたい。対照的に、信号１０８は、ピストンスラップを受けている不健全なピストン組立体３６を有するシリンダ２６からである。信号１０８は、不健全な構成要素を示すスペクトルに沿って高調波周波数で大きいピークを表示する。ピストンスラップは、ピストン２４とシリンダ２６の間の隙間がとても大きいときに生じ、ピストン２４とシリンダ２６の間の過度のあそびという結果になる。ピストンスラップが存在するとき、ピストン２４は、燃焼中にシリンダ２６の一面を擦り、（「スラスト面」と呼ばれる）シリンダ２６の一面に推力を加える。ピストンスラップは、ピストン２４とシリンダ２６の間のよくないフィットによって、または消耗した構成要素によって引き起こされ得る。例えば、ピストンスラップは、ピンまたはロッドの故障の前に存在し得る。構成要素が実際に故障する前に問題をつかむことによって、操作者は部品が故障する前にエンジンを停止することが可能となり得、したがって、他のエンジン構成要素に潜在的に費用のかかる損傷を引き起こすのを防ぐ。図４と同様に、構成要素の基本周波数および構成要素の健全性に応じて、構成要素のスペクトルプロットは、異なるピーク数、異なるピーク振幅、異なる場所のピークなどをおそらく伴って、とても異なって見え得ることを理解されたい。
【００２７】
図６は、ノックセンサ３２の信号の全高調波歪を計算することによって１つまたは複数のエンジン構成要素の健全性を決定するプロセス１１０の一実施形態を示す流れ図である。プロセス１１０は、メモリ６６に記憶されＥＣＵ３４のプロセッサ６４によって実行可能なコンピュータ命令または実行可能コードとして実施することができる。ブロック１１２では、プロセス１１０は、１つまたは複数のエンジン構成要素の基本周波数を取得する（例えば、ユーザまたは別の装置から、メモリ６６からのアクセスをまたはある他の方法で受け取る）。以下に、複数の構成要素についての高調波周波数を示す表が表１に示されている。
【００２８】
【表１】
0006715014.tif 000002
表１の左列は、４つの構成要素およびその基本周波数を列挙しており。各構成要素はそれ自体の行を有する。表１は、各行に挙げられた構成要素についての様々な高調波周波数を列挙する。表１は、基本周波数（すなわち、分数の高調波および整数の高調波）より少ない高調波およびそれより大きい高調波を含む。しかしながら、表１は一例に過ぎないことを理解されたい。いくつかの実施形態は、より多くのまたはより少ない構成要素を含むことができ、一方、他の実施形態は、表１に示されていない高調波周波数（例えば、１／８高調波、第５の高調波など）を含むことができる。使用時、ユーザは、関心のある高調波（例えば、１／４、１／２、１、２、３、４など）と共に構成要素の基本周波数を、または単に構成要素の基本周波数を入力することができる。他の実施形態では、周波数は、別の装置から得られ得る、遠隔で得られ得る、またはメモリ６６に記憶され得る。
【００２９】
ブロック１１４では、プロセス１１０は、ノックセンサ３２から受け取ったデータをサンプリングする。例えば、１つまたは複数のノックセンサ３２はデータを収集し、次いでデータをＥＣＵ３４へ送信する。本実施形態では、単一のノックセンサ３２は、各シリンダ２６に取り付けられる。他の実施形態では、２つ以上のノックセンサ３２は、単一のシリンダ２６に取り付けることができる。さらに他の実施形態では、２つ以上のシリンダ２６は、ノックセンサ３２を共有することができる。
【００３０】
ブロック１１６では、プロセス１１０は、増幅器６８を用いてノックセンサ３２からの信号を増幅することができる。図３に関して説明したように、高調波歪みは、信号がクリップされるときに存在し得る。いくつかの実施形態では、ノックセンサ３２からの信号はかすかでまたは弱いものであり得、それによって高調波歪みが容易に認識できない。そのような場合には、プロセス１１０は、増幅器６８を用いて信号を増幅することができる。増幅器６８は、ハードウェアベースまたはソフトウェアベースであり得る。いくつかの実施形態では、プロセス１１０は信号を増幅する。（ともかく増幅が必要とされる場合）増幅のレベルは、解析の中で構成要素の正常な励起がクリッピング点の下にあるが、異常な励起（すなわち、構成要素消耗または故障）の下では信号はクリッピング点に到達するようにすべきである。クリッピングが生じると、全高調波歪の測定がこの点を検出するために利用することができる。全ての実施形態が増幅器６８を利用できるのではないことを理解されたい。ノックセンサ３２からの非増幅信号が、信号が正常な励起中のクリッピング点の下にあるが、異常な励起中のリッピング点に到達するような場合には、信号は増幅されなくてもよい。
【００３１】
ブロック１１８では、プロセス１１０は、ＴＨＤまたはＴＨＤ＋Ｎが閾値よりも大きいか決定するために、問題になっている様々な構成要素と関連した周波数で全高調波歪（ＴＨＤ）、または全高調波歪プラスノイズ（ＴＨＤ＋Ｎ）を評価する。閾値は、基本周波数に対して百分率としてまたはデシベル（ｄＢ）の単位で表現され得る。閾値は、ユーザによって入力され、別の装置から得られ、またはある他の方法によって受け取られ、メモリ６６に記憶され、プロセッサ６４によってアクセス可能であり得る。部分が消耗するまたは他の方法で故障に近づくとき、全部のＴＨＤが増加する。すなわち、部分が消耗するとき、動作中その部品の共振は、その部品の基本周波数における共振によってあまり支配されなくなり、高調波周波数で共振によってより支配される。ＴＨＤは、以下の式を用いて計算することができる。
【００３２】
【数１】
0006715014.tif 000003
ここで、ＴＨＤは全高調波歪であり、Ｖnは第ｎ高調波のＲＭＳ電圧であり、Ｖ1は問題になっている構成要素の基本周波数である。
【００３３】
ＴＨＤ＋Ｎは、以下の式を用いて計算することができる。
【００３４】
【数２】
0006715014.tif 000004
判断１２０では、プロセス１１０は、ＴＨＤまたはＴＨＤ＋Ｎが与えられた閾値を超えているか決定する。ＴＨＤまたはＴＨＤ＋Ｎが閾値を超える場合、エンジン１２中の１つまたは複数の構成要素が摩耗している、消耗した、または故障に近い可能性がある。ＴＨＤ（またはＴＨＤ＋Ｎ）が閾値を超えている場合、次いで、プロセス１１０は、ブロック１２２へ移動し、ＴＨＤまたはＴＨＤ＋Ｎが閾値レベルを超えており、構成要素は故障に近づいている可能性があることをユーザに警告する。ユーザは、表示、音または音声の通知、テキスト、またはＴＨＤが閾値を超えているといういくつかの他のユーザが認知できる指示によって、固有のエラーコードを含むいくつかの異なるやり方で警告され得る。いくつかの実施形態では、ＥＣＵ３４は、過度の損傷を引き起こす構成要素の故障の可能性を低減させる別の動作モード（例えば、安全稼働モード）にシフトすることができる。次いで、ユーザは、エンジン１２を停止するか否か決断し、問題をさらに調査することができる。さらに、ブロック１２４では、プロセス１１０は将来の解析のために収集されたデータをログ記録することができる。ＴＨＤ（またはＴＨＤ＋Ｎ）は、閾値未満である場合、プロセス１１０はブロック１１４に戻り、より多くのデータをノックセンサ３２からサンプリングする。
【００３５】
開示した実施形態の技術的効果は、往復運動装置構成要素の健全性を導出するシステムおよび方法を含み、このシステムおよび方法は、１つまたは複数のエンジン構成要素のそれぞれの基本周波数、各基本周波数に関連した関心の高調波、および／または閾値歪みレベルを取得することと、往復運動装置に結合されたノックセンサからの信号を受信することと、この信号を増幅することと、１つまたは複数の周波数で全高調波歪（ＴＨＤ）または全高調波歪プラスノイズ（ＴＨＤ＋Ｎ）を導出することと、導出されたＴＨＤが閾値を超えているか決定することと、構成要素が故障に近づいている可能性があることをユーザに警告することとを含むことができる。
【００３６】
本明細書は、最良の形態を含む本発明を開示するために例を用いており、任意の装置またはシステムを作製および使用し、任意の組み込まれた方法を実行するなど当業者が本発明を実施することを可能にもする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者が思いつく他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を含む場合、またはそれらが特許請求の範囲の文言からわずかに異なる均等な構成要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００３７】
１０  エンジン駆動発電システム、システム
１２  エンジン、内燃エンジン、レシプロエンジン
１４  燃焼室
１６  空気供給部
１８  加圧オキシダント、空気
２０  燃料
２２  燃料供給部
２４  ピストン
２６  シリンダ
２８  シャフト
３０  負荷
３２  ノックセンサ
３４  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３６  ピストン組立体、健全なピストン組立体
３８  内側環状壁
４０  円筒形空洞
４２  軸方向の軸または方向
４４  径方向の軸または方向
４６  円周方向の軸または方向
４８  上部分、上ランド
５０  クランクシャフト
５２  コネクティングロッド
５４  ピン
５６  燃料噴射器
５８  吸気弁、バルブ
６０  排気弁、バルブ
６２  クランクシャフトセンサ
６４  プロセッサ
６６  メモリ
６８  増幅器
７２  信号
７４  周波数スペクトル
７６  歪み信号、信号
７８  周波数スペクトル
８０  サンプルスペクトルプロット、プロット
８２  ｘ軸
８４  ｙ軸
８６  構成要素信号
８８  基本周波数
９０  第２高調波周波数
９２  第３高調波周波数
９４  第４高調波周波数
９６  第５高調波周波数
９８  第６高調波周波数
１００  サンプルスペクトルプロット
１０２  ｘ軸
１０４  ｙ軸
１０６  信号
１０８  信号
１１０  プロセス
【図１】
0006715014.tif 000005
【図２】
0006715014.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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