(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気音をデジタル信号に変換してエンジン回転数を計測する方法において、アイドリング状態の周波数特性から一次周波数を決定する第１工程と、アイドリング状態から変化するエンジン排気音を前記一次周波数の変化に追従するバンドパスフィルタで処理する第２工程と、この第２工程から出力されるデータから振幅の変動をゼロクロス処理により取り除く第３工程と、この第３工程から出力されるデータをΔＦ−Ｖ変換して周波数に応じた値を出力する第４工程と、この第４工程から出力される値に応じて前記第２工程のバンドパスフィルタに入力するデータのサンプリング周波数を更新する第５工程と、前記第４工程の出力値に応じてエンジン回転数を算出する第６工程を備えたことを特徴とするエンジン回転数計測方法。
【請求項２】
エンジン排気音をデジタル信号に変換してエンジン回転数を計測する装置において、アイドリング状態の周波数特性から一次周波数を検出する周波数検出部と、前記一次周波数の変化に追従してアイドリング状態から変化するエンジン排気音を処理するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタから出力されるデータから振幅の変動を取り除くゼロクロス処理部と、このゼロクロス処理部から出力されるデータの周波数に応じた値を出力するΔＦ−Ｖ変換部と、このΔＦ−Ｖ変換部から出力される値に応じて前記バンドパスフィルタに入力するデータのサンプリング周波数を更新する周波数変調部と、この周波数変調部から出力される値に応じてエンジン回転数を算出するエンジン回転数算出部を備えたことを特徴とするエンジン回転数計測装置。
【請求項３】
前記周波数変調部は、エンジン排気音のサンプリングデータの間引き間隔を決定する間引き間隔決定部と、この間引き間隔決定部が決定した間引き間隔に応じて前記サンプリングデータを間引く間引き器からなり、前記ΔＦ−Ｖ変換部は、周波数の変化を振幅の変化として出力するローパスフィルタと、このローパスフィルタが出力する実効値を周波数と等価な値に変換する実効パワー算出部からなる請求項２記載のエンジン回転数計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン排気音からエンジンの回転数を計測するエンジン回転数計測方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車から発せられるマフラからの排気騒音は、その測定法から近接排気騒音と呼ばれ、ＪＩＳやＩＳＯで測定法が標準化されている。日本では近年、近接排気騒音測定がマフラ改造車等の整備不良車の摘発にも応用されようとしている。
近接排気騒音測定では、停止状態で所定のエンジン回転数を数秒ほど維持した状態（空吹かし）から、急速にアクセルオフしアイドリング状態になるまでの騒音の最大値レベルを測定しなければならない。このために騒音計の他に、エンジン回転数を検出する装置が必要となる。【０００３】
従来、騒音計とは別に、エンジン回転数検出のためにプラグスパーク時のハイテンションコードからの電磁波を検出して利用するものや、エンジンブロックまたはその周辺のエンジンピストンの運動に起因する振動を、マグネットアタッチメント式振動センサで検出して利用する回転計が使われてきた。
また、排気音はエンジンに回転を生じさせるシリンダ内の爆発に伴う脈動音を有する騒音であり、この脈動音の脈動周波数を検出することはエンジンの回転数を検出することと等価である。そこで、排気音を周波数分析し、その最大のピーク周波数を脈動周波数の一次周波数成分と見做し、エンジンの回転数を検出する方法が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、近年の自動車技術の発展から、電磁波が微量あるいはハイテンションコードのない車やエンジンブロックおよびその周辺がアルミ製の車（二輪車を含む）が多くなり、電磁波や振動を利用する技術が使えない状況になってきた。
また、回転数検出に電磁波や振動を利用する技術が使えたとしても、現在検討されている改定ＩＳＯでは、エンジンルームをボンネットで閉じることを規定しようとしており、センサをエンジンルーム内に設置し、センサのケーブルをエンジンルーム外に引き出すことが難しい状況になることが想定されている。【０００５】
また、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）分析を用いる排気音の周波数分析法においても、一次周波数成分が他の低次あるいは高次周波数成分より大きい場合には高精度にエンジン回転数を検出できるが、一次周波数成分に比して低次あるいは高次周波数成分が大きい場合にはエンジン回転数を正確に検出できない場合がある。従って、この方法では時々刻々変化するエンジン回転数を常に正確に検出できるとは限らない。【０００６】
更に、マフラ改造車等の整備不良車を取り締まるためには、その騒音が回転数に大きく依存するため、現行の近接排気騒音測定法では対応できない場合が考えられる。つまり、自動車メーカが近接排気騒音測定法を基に定めた近接排気騒音値を上回る騒音値を、近接排気騒音測定法が求める所定のエンジン回転数に至る過程で超えてしまう場合である。このような事象を明確にするためには、エンジン回転数の変化と排気音の変化を的確に関連付け、エンジン回転数の変化と騒音レベルを逐次監視する必要がある。【０００７】
本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの排気音からエンジンの回転数を的確に計測することができるエンジン回転数計測方法及びその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく請求項１に係る発明は、エンジン排気音をデジタル信号に変換してエンジン回転数を計測する方法において、アイドリング状態の周波数特性から一次周波数を決定する第１工程と、アイドリング状態から変化するエンジン排気音を前記一次周波数の変化に追従するバンドパスフィルタで処理する第２工程と、この第２工程から出力されるデータから振幅の変動をゼロクロス処理により取り除く第３工程と、この第３工程から出力されるデータをΔＦ−Ｖ変換して周波数に応じた値を出力する第４工程と、この第４工程から出力される値に応じて前記第２工程のバンドパスフィルタに入力するデータのサンプリング周波数を更新する第５工程と、前記第４工程の出力値に応じてエンジン回転数を算出する第６工程を備えた。
【０００９】
請求項２に係る発明は、エンジン排気音をデジタル信号に変換してエンジン回転数を計測する装置において、アイドリング状態の周波数特性から一次周波数を検出する周波数検出部と、前記一次周波数の変化に追従してアイドリング状態から変化するエンジン排気音を処理するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタから出力されるデータから振幅の変動を取り除くゼロクロス処理部と、このゼロクロス処理部から出力されるデータの周波数に応じた値を出力するΔＦ−Ｖ変換部と、このΔＦ−Ｖ変換部から出力される値に応じて前記バンドパスフィルタに入力するデータのサンプリング周波数を更新する周波数変調部と、この周波数変調部から出力される値に応じてエンジン回転数を算出するエンジン回転数算出部を備えた。【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項２記載のエンジン回転数計測装置において、前記周波数変調部は、エンジン排気音のサンプリングデータの間引き間隔を決定する間引き間隔決定部と、この間引き間隔決定部が決定した間引き間隔に応じて前記サンプリングデータを間引く間引き器からなり、前記ΔＦ−Ｖ変換部は、周波数の変化を振幅の変化として出力するローパスフィルタと、このローパスフィルタが出力する実効値を周波数と等価な値に変換する実効パワー算出部からなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排気音に含まれる脈動音の一次周波数成分に比して低次あるいは高次周波数成分が大きい場合であっても、非接触且つボンネットを閉じた状態で時々刻々変化するエンジンの回転数を容易に高精度で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るエンジン回転数計測装置のブロック構成図
【図２】アイドリング状態における計測手順を示すフローチャート
【図３】エンジン回転数変化時における計測手順を示すフローチャート
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係るエンジン回転数計測装置のブロック構成図、図２はアイドリング状態における計測手順を示すフローチャート、図３はエンジン回転数変化時における計測手順を示すフローチャートである。【００１４】
本発明は、原理的には排気音に含まれる脈同音の一次周波数成分を検出することと等価であるが、直接周波数分析によってその一次周波数成分を検出するのではなく、デジタルフィルタとデジタル周波数の関係を利用し、排気音信号をデジタル化するためのサンプリング周波数を排気音に含まれる脈動音自身の情報をもとに変化させることで、変化させたサンプリング周波数が一定の関係を持ってエンジン回転数を表現していることを特徴とする。【００１５】
先ず、本発明で用いるデジタルフィルタとデジタル周波数について概説する。ｆc[Ｈz]をアナログ実周波数ｆの中心周波数に持つIIR形（巡回形）のデジタルバンドパスフィルタを例に、サンプリング周波数ｆs[Ｈz]、アナログ実周波数ｆの中心周波数ｆc[Ｈz]及びデジタルフィルタの性質について説明する。
IIR形（巡回形）のデジタルバンドパスフィルタの周波数特性Ｈ(z)は、次式（１）で表わされる。【００１６】
【数１】
0004651667.tif 000002
【００１７】
ここで、ｚ=ｅj2πｆ/ｆsであり、Ｎ，Ｍは整数でＮ≦Ｍの条件を満たす。ａn，ｂmは、デジタルフィルタの周波数特性を決定する係数である。【００１８】
式（１）において、サンプリング周波数ｆs[Ｈz]の条件で、ｆc[Ｈz]をアナログ実周波数ｆの中心周波数に持つデジタルバンドパスフィルタの係数ａn，ｂm を決定したとする。この係数ａn，ｂmを固定して、サンプリング周波数ｆsをｋ倍にした場合、このデジタルフィルタはｋ倍のｆc に中心周波数をシフトする。【００１９】
なぜならば、ｚ=ｅj2πｆ/ｆsにおいて、ｆd＝ｆ/ｆsとし、ｆdc＝ｆc /ｆsとすれば、（ｋ・ｆc）／（ｋ・ｆs）もｆdcとなるので、式（１）で表わされるデジタルフィルタ周波数特性Ｈ(z)と同じになる。以降ｆdは、無単位であるがデジタル周波数と呼ぶ。つまり、デジタルフィルタの係数ａn，ｂmが固定された場合、その特性Ｈ(z)は、アナログ実周波数ｆとサンプリング周波数ｆsの比であるデジタル周波数ｆdによって一意に決定される。【００２０】
本発明に係るエンジン回転数計測装置は、図１に示すように、エンジンの排気音をアナログ電気信号に変換するマイクロホン１と、Ａ／Ｄ変換部２と、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）分析部３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４と、周波数変調部５と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６と、ゼロクロス波形生成部７と、ΔＦ−Ｖ（周波数−電圧）変換部８と、エンジン回転数算出部９を備えてなる。
なお、周波数検出部としてのＦＦＴ分析部３の代わりに、ＦＦＴ分析部３と同等の機能を有する周波数分析手段でもよい。また、エンジン排気音をメモリカードなどに保存したデジタルデータとすれば、マイクロホン１とＡ／Ｄ変換部２を設ける必要はない。【００２１】
Ａ／Ｄ変換部２は、マイクロホン１で集音された排気音をサンプリング周波数ｆp[Ｈz]でデジタル信号化する。サンプリング周波数ｆpは、後述する間引き器の最大間引き間隔をＤ、必要とされる計測可能な最大回転数をＲ[rpm]とした場合、次式（２）で表される条件により決定される。【００２２】
【数２】
0004651667.tif 000003
【００２３】
ここで、ｃはエンジンの諸元によって決められる係数であり、６気筒４サイクルエンジンでは、一般に３である。ここで生成されたデータをサンプリングデータＸfpとする。【００２４】
ＦＦＴ分析部３は、測定対象車のエンジンのアイドリング状態における排気音中の脈動音の一次周波数成分ｆc[Ｈz]を決定するためだけに設けられている。一次周波数成分ｆcは、エンジンの諸元（アイドリング回転数、エンジン形式など）を用い、その周波数近傍のピーク値を持つ周波数として決定される。【００２５】
ローパスフィルタ４は、後段に接続される間引き器によってサンプリングデータＸfpが間引かれた場合に、サンプリング定理による折り返し現象が発生しないために設けられている。ローパスフィルタ４のカットオフ周波数ｆac[Ｈz]は、式（２）の最大間引き間隔Ｄ、最大回転数Ｒ、係数ｃを用いて、次式（３）で示される範囲に設定される。【００２６】
【数３】
0004651667.tif 000004
【００２７】
バンドパスフィルタ６は、式（１）で示した係数ａn，ｂmがＦＦＴ分析部３で決定された一次周波数成分ｆcとサンプリング周波数ｆs（＝ｆp／Ｄ）の比ｆdcを中心周波数に持つように決定され、測定対象車のエンジン回転数検出が終了するまで固定される。バンドパスフィルタ６は、前段の間引き器１１がエンジン回転数変化に比例して的確にバンドパスフィルタ６の入力であるサンプリングデータＸfpを間引き間隔ｄiで間引けば、上述したデジタルフィルタの性質から、結果として排気音中の脈動音の一次周波数成分を追従し、その他の成分を抑圧しながら一次周波数成分を選択的に抽出する働きをする。【００２８】
ゼロクロス波形生成部７は、バンドパスフィルタ６の出力波形（正弦波に近い）がゼロよりも大きいか小さいかによって、出力波形を振幅が１または−１の矩形波に変換する。エンジン回転数に依存して排気音中の脈動音の一次周波数成分の振幅が変動する場合があり、この変動は、後述する後段のローパスフィルタ１３と実効パワー算出部１４でのエンジン回転数変化検出に影響を与えるため、ゼロクロス波形にすることにより振幅の変動を除く。これにより、前段のバンドパスフィルタ６の出力振幅の変化を吸収できる。【００２９】
ΔＦ−Ｖ変換部８は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１３と、実効パワー算出部１４と、ゲート部１５からなり、周波数の変化分を電圧で出力する。ローパスフィルタ１３は、エンジン回転数の変化に伴う排気音中の脈動音の一次周波数成分の変化を検出するために設けられている。次式（４）は、カットオフ周波数ｆlp[Ｈz]を持つｎ次バターワースローパスフィルタの一般的な周波数振幅特性による出力振幅ｖfである。【００３０】
【数４】
0004651667.tif 000005
【００３１】
ローパスフィルタ１３の振幅特性の傾斜周波数域（ｆ＞ｆlp）に周波数ｆを持つ信号が、入力された場合は、その入力周波数が変化するとローパスフィルタ１３の出力振幅ｖfが変化する。逆に言えば、この変化幅を捉えることで入力周波数の変化幅を知ることができる。ローパスフィルタ１３のカットオフ周波数ｆlp[Ｈz]は、ローパスフィルタ１３の傾斜周波数域に、一次周波数成分ｆc[Ｈz]が対応するように一次周波数成分ｆcより小さくする必要がある。【００３２】
実効パワー算出部１４は、ローパスフィルタ１３の出力信号から式（４）に示す出力振幅ｖfと等価な値を算出するために設けられている。ゲート部１５は、実効パワー算出部１４の出力を一定間隔で後段の間引き間隔決定部１２へ接続するスイッチである。この間隔は、バンドパスフィルタ６の応答時間や実効パワー算出部１４の応答時間によって決められる。経験的には、実効パワー算出部１４へ入力される信号の５周期から１０周期分の間隔ごとにスイッチをオンし、その時の実効パワー算出部１４の出力値を出力する。【００３３】
周波数変調部５は、間引き間隔ｄ(i)に応じてサンプリングデータＸfpを間引く間引き器１１と、間引き器１１に間引き間隔ｄ(i)を与える間引き間隔決定部１２からなり、入力電圧の大きさに応じてサンプリング周波数を変調させる。
間引き間隔決定部１２は、アイドリング状態の実効パワー算出部１４の出力値ｖfcと、ｉ時点のゲート部１５の出力値ｖf(i)及びｉ時点の間引き間隔ｄ(i)を用いて、ｉ+1時点の間引き間隔ｄ(i+1)を次式（５）を用いて算出する。【００３４】
【数５】
0004651667.tif 000006
【００３５】
ここで、ＩＮＴ[  ・  ]は、[  ・  ]を整数に丸める演算子である。初期値ｄ0は、最大間引き間隔Ｄである。【００３６】
エンジン回転数算出部９は、間引き間隔決定部１２でｉ時点ごとに計算された間引き間隔ｄiから次式（６）を用いて、エンジン回転数Ｒiを算出する。【００３７】
【数６】
0004651667.tif 000007
【００３８】
ここで、Ｒ0はアイドリング時の回転数、ＡＶＧ［  ・  ］はｉ-ｍからｉ+ｍ区間の平均演算を行う演算子、ｍは任意の整数である。【００３９】
以上のように構成した本発明に係るエンジン回転数計測装置の作用及びエンジン回転数計測方法について説明する。
先ず、エンジンのアイドリング状態におけるエンジン回転数計測作業が、図２に示すフローチャートに従って行われる。ステップＳＰ１において、マイクロホン１によりアイドリング状態時の排気音をアナログ電気信号に変換する。次いで、ステップＳＰ２において、Ａ／Ｄ変換部２が、マイクロホン１で集音された排気音をサンプリング周波数ｆp[Ｈz]でデジタル信号化する。そして、ステップＳＰ３において、エンジンのアイドリング状態における排気音中の脈動音の一次周波数成分（基本周波数）ｆc[Ｈz]を決定する（第１工程）。【００４０】
次に、アイドリング状態から変化するエンジン排気音についてのエンジン回転数計測作業が、図３に示すフローチャートに従って行われる。ステップＳＰ１１において、マイクロホン１によりエンジンの排気音をアナログ電気信号に変換する。ステップＳＰ１２において、Ａ／Ｄ変換部２が、マイクロホン１で集音された排気音をサンプリング周波数ｆp[Ｈz]でデジタル信号化する。【００４１】
次いで、ステップＳＰ１３において、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号にサンプリング定理による折り返し現象が発生しないよう、カットオフ周波数ｆac[Ｈz]のローパスフィルタ４を通す。
ステップＳＰ１４において、ステップＳＰ１８の間引き間隔決定部１２で決定された間引き間隔ｄ(i)（ｉ時点）に応じてローパスフィルタ４の出力信号（サンプリングデータＸfp）を間引き、アナログ実周波数ｆとサンプリング周波数ｆsの比であるデジタル周波数ｆdが一定になるようにする（第５工程）。【００４２】
ステップＳＰ１５では、サンプリングデータＸfpが間引き間隔ｄiで間引かれることにより、デジタル周波数の性質から中心周波数ｆdc（＝ｆc／ｆs）のバンドパスフィルタ６が、排気音中の脈動音の一次周波数成分を追従し、その他の成分を抑圧しながら一次周波数成分を選択的に抽出する（第２工程）。なお、初期設定用パラメータとして、ステップＳＰ３において求めた一次周波数成分ｆc[Ｈz]が用いられ、バンドパスフィルタ６の係数ａn，ｂmが決定される。【００４３】
次いで、ステップＳＰ１６において、バンドパスフィルタ６の出力波形（正弦波に近い）から一次周波数成分の振幅変化を除くため、出力波形がゼロよりも大きいか小さいかによって、出力波形を振幅が１または−１の矩形波に変換する（第３工程）。【００４４】
ステップＳＰ１７では、カットオフ周波数がｆlp[Ｈz]であるローパスフィルタ１３の振幅特性の傾斜周波数域（ｆ＞ｆlp）を用い、周波数ｆを持つサンプル信号が、入力された場合に、その入力周波数が変化するとローパスフィルタ１３の出力振幅ｖfが変化するので、その実効パワーを算出し、入力周波数の変化に応じて大きさが変化する電圧をゲート部１５から出力する（第４工程）。【００４５】
次いで、ステップＳＰ１８において、ΔＦ−Ｖ変換部８の出力信号が、周波数変調部５の間引き間隔決定部１２に入力され、式（５）により、間引き間隔ｄ(i+1)が算出される。間引き間隔ｄ(i+1)は、ステップＳＰ１９（第６工程）に送られると共に、ステップＳＰ１４（第５工程）に送られる。
一方、ステップＳＰ１９において、間引き間隔決定部１２で算出された間引き間隔ｄ(i+1)から、式（６）を用いて、エンジン回転数Ｒ(i+1)を算出する（第６工程）。【００４６】
このように、サンプリング周波数を変化させることで、エンジン回転数に比例した一次周波数成分を動的に追跡するバンドパスフィルタ６を構築することが可能になる。アイドリング状態のエンジン回転数は５００ｒｐｍから１０００ｒｐｍ以下であり、一次周波数成分がその周波数範囲における一番大きな周波数成分であると仮定することは、実用上問題はない。その時の周波数を基準としてエンジン回転数の変化に動的に追従するので、従来技術のように単純にＦＦＴの結果のピーク周波数をエンジン回転数と見なす方法よりも精度が高い。また、ゼロクロス処理を行っているので、一次周波数成分の振幅変動の影響を受けることがない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
排気音に含まれる脈動音の一次周波数成分に比べて低次あるいは高次周波数成分が大きい場合であっても、非接触且つボンネットを閉じた状態で、エンジンの回転数を高精度で計測することができるので、適用範囲の拡大が図れる。
【図１】
0004651667.tif 000008
【図２】
0004651667.tif 000009
【図３】
0004651667.tif 000010