(57)【要約】      （修正有）【課題】燃焼エンジン内のターボ過給機の特性を決定するためのセンサを提供する。【解決手段】システム８は、ターボ過給機１７と、ターボ過給機１７に隣接して配置された少なくとも１つのセンサと、を含む。少なくとも１つのセンサは、ターボ過給機１７の１つまたは複数の共振周波数を検出するように構成される。システム８はまた、ターボ過給機１７の検出された１つまたは複数の共振周波数を表す少なくとも１つのセンサから信号を受信し、ターボ過給機１７の１つまたは複数の特性を決定するために１つまたは複数の共振周波数を解析するように構成されたコントローラ２５を含む。【選択図】図１
2016128689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機（１７）と、
前記ターボ過給機（１７）に隣接して配置された少なくとも１つのセンサであって、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の共振周波数（９６）を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、
前記ターボ過給機（１７）の前記検出された１つまたは複数の共振周波数（９６）を表す前記少なくとも１つのセンサからの信号を受信し、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するために前記１つまたは複数の共振周波数（９６）を解析するように構成されたコントローラ（２５）と、を含むシステム（８）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのセンサは、振動センサを含む、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのセンサは、ノックセンサ（２３）を含む、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項４】
前記ターボ過給機（１７）は、複数のブレード（７８）を含み、前記１つまたは複数の特性は、前記複数のブレード（７８）のアンバランスを含む、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項５】
前記ターボ過給機（１７）は、複数のブレード（７８）を含み、前記１つまたは複数の特性は、前記複数のブレード（７８）のターボ回転数を含む、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項６】
前記センサは、前記ターボ過給機（１７）の複数の共振周波数（９６）を検出するように構成され、前記コントローラ（２５）は、前記複数のブレード（７８）の前記ターボ回転数を決定するために複数の共振周波数（９６）を解析するように構成される、請求項５に記載のシステム（８）。
【請求項７】
前記コントローラ（２５）は、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の共振周波数（９６）に基づいて前記複数のブレード（７８）の前記ターボ回転数を決定するために、ルックアップテーブルを利用するように構成される、請求項５に記載のシステム（８）。
【請求項８】
前記ターボ過給機（１７）に結合された半剛性または剛性マウントを含み、前記少なくとも１つのセンサは、前記半剛性または剛性マウントに配置される、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのセンサは、前記ターボ過給機（１７）に配置される、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのセンサは、前記ターボ過給機（１７）から約５０センチメートル以下の距離内に配置される、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項１１】
前記コントローラ（２５）は、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するために、前記１つまたは複数の共振周波数（９６）を解析する前に、前記信号をローパスフィルタでフィルタリングするように構成される、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項１２】
前記ターボ過給機（１７）に結合された燃焼エンジン（１０）を含む、請求項１に記載のシステム（８）。
【請求項１３】
コントローラ（２５）を含み、前記コントローラ（２５）は、
ターボ過給機（１７）に隣接して配置された少なくとも１つのセンサから信号を受信し、
前記信号をサンプリングして、サンプル信号を生成し、
前記サンプル信号をフィルタリングして、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の共振周波数（９６）を検出し、
前記共振周波数（９６）を解析して、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するように構成される、システム（８）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのセンサは、ノックセンサ（２３）を含む、請求項１３に記載のシステム（８）。
【請求項１５】
前記コントローラ（２５）は、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の共振周波数（９６）を解析するために、ルックアップテーブルを利用するように構成される、請求項１３に記載のシステム（８）。
【請求項１６】
前記コントローラ（２５）は、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するために、前記１つまたは複数の共振周波数（９６）を解析する前に、前記信号をローパスフィルタでフィルタリングするように構成される、請求項１３に記載のシステム（８）。
【請求項１７】
ターボ過給機（１７）に隣接して配置されたセンサから信号を受信するステップ（１０２）と、
前記信号をサンプリングして、サンプル信号を生成するステップ（１０４）と、
前記サンプル信号をフィルタリングして、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の共振周波数（９６）を検出するステップ（１０６）と、
前記共振周波数（９６）を解析して、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するステップ（１０８）と、を含む方法。
【請求項１８】
前記サンプル信号をフィルタリングするステップ（１０６）は、前記ターボ過給機（１７）の１つまたは複数の特性を決定するために、前記１つまたは複数の共振周波数（９６）を解析する前に、前記サンプル信号をローパスフィルタでフィルタリングするステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
サンプリングするステップ（１０４）は、前記ターボ過給機（１７）の回転速度が変化すると予想される場合には、より高いサンプリングレートを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
共振周波数（９６）を解析するステップは、前記共振周波数（９６）をルックアップテーブルの値と比較するステップ（１０８）を含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、燃焼エンジン内のターボ過給機の特性を決定するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータリーエンジンおよびターボエンジンなどの燃焼エンジンは、燃料を燃焼させて、エンジン内の特定の内部部品の運動（たとえば、回転運動）を生成し、その運動は、通常、ドライブトレイン、発電機、または他の有用なシステムに動力を供給するために用いられる。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など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。エンジンは、シリンダ内で燃料と混合される空気の圧力および／または量を増加させるために、ターボ過給機を含むことができる。ターボ過給機は、ロータの２つの側を回転させることにより動作することができる。第１は、ターボ過給機のブレードを回転させる排気ガスから圧力を受ける。またターボ過給機の他方の側は、追加の酸化剤をスピンしてエンジンのシリンダ内に圧入するブレードを有する。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。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
第１の実施形態では、システムは、ターボ過給機と、ターボ過給機に隣接して配置された少なくとも１つのセンサと、を含む。少なくとも１つのセンサは、ターボ過給機の１つまたは複数の共振周波数を検出するように構成される。システムはまた、ターボ過給機の検出された１つまたは複数の共振周波数を表す少なくとも１つのセンサから信号を受信し、ターボ過給機の１つまたは複数の特性を決定するために１つまたは複数の共振周波数を解析するように構成されたコントローラを含む。
【０００５】
第２の実施形態では、システムは、ターボ過給機に隣接して配置された少なくとも１つのセンサから信号を受信し、信号をサンプリングして、サンプル信号を生成し、サンプル信号をフィルタリングして、ターボ過給機の１つまたは複数の共振周波数を検出し、共振周波数を解析して、ターボ過給機の１つまたは複数の特性を決定するように構成されたコントローラを含む。
【０００６】
第３の実施形態では、方法は、ターボ過給機に隣接して配置されたセンサから信号を受信するステップと、信号をサンプリングして、サンプル信号を生成するステップと、サンプル信号をフィルタリングして、ターボ過給機の１つまたは複数の共振周波数を検出するステップと、共振周波数を解析して、ターボ過給機の１つまたは複数の特性を決定するステップと、を含む。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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部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、図１に示した往復エンジンのシリンダ内のピストンアセンブリ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、図１のシリンダおよびターボ過給機の近傍に配置されたセンサの一実施形態の斜視図である。
【図４】本開示の態様による、図２および図３のセンサによって送信されたデータのスペクトログラムである。
【図５】本開示の態様による、ターボ過給機の回転数を検出するために図１のコントローラを動作させる処理の一実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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わせなどの加圧酸化剤１６を各燃焼室１２に供給するように構成される。エンジン１０から力を受け、その力を用いて酸化剤１６が燃焼室１２に流入する際の圧力を高めるターボ過給機１７により、酸化剤１６を加圧することができる。ターボ過給機１７は、排気ガスの形で、エンジン１０から力を受けることができる。たとえば、ターボ過給機１７は、ロータの周囲に配置されたブレードを有する圧縮機を含むことができる。ブレードは、特定の実施形態では、排気ガスによって駆動されて回転することができる。ブレードおよびロータの回転は、ロータの別の側の負荷を駆動することができる。負荷は、たとえば、空気／酸化剤を燃焼室１２に圧入する追加のブレードを含むことができる。ターボ過給機１７の回転速度は、燃焼室１２に流入する酸化剤１６の量に相関する。診断ツールとして、動作時ならびに／または始動時および停止時のターボ過給機１７の回転数を知ることが有用である場合があり、そのようにして、燃焼室１２に流入する酸化剤１６の量を正確に決定することができる。
【００１２】
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、発電機などの、システム８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、石炭坑内ガスなどの任意の適切な気体燃料であってもよい。
【００１３】
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。
【００１４】
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ように構成されたセンサであってもよい。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。さらに、ノックセンサ２３は、エンジン１０および／またはターボ過給機１７の特定の特性を示すターボ過給機１７からの振動を検出することができる。それから、ＥＣＵ２５は、エンジン１０および／またはターボ過給機１７の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、たとえばターボ過給機の回転数を検出するために、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。
【００１５】
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、トップランド）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。
【００１６】
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のトップランド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。エンジン１０からの排気は、ターボ過給機１７に流れることができ、ターボ過給機１７は、吸気バルブ６２に向かって空気を強制的に送るタービンを回転させる。それからターボ過給機１７は、燃焼室１２内の酸化剤１６の量を増加させる空気圧を上昇させて、次にエンジン１０の出力および／または効率を高めることができる。エンジン１０が停止し、排気の排出を中止すると、ターボ過給機１７もスプールダウンし、最終的に酸化剤１６を吸気バルブ６２に向かって送ることを停止する。しかし、スプールダウンは即時ではなく、いくらかの空気１６を吸気バルブ６２に向かって送り続けることができる。同じ理由で、回転数までのスプールは即時ではない。したがって、ターボ過給機１７によって吸気バルブ６２に圧入されている空気１６の量が未知である場合には、ターボ過給機１７の回転数を知ることは、エンジン１０の動作中に非常に役立ち得る。
【００１７】
図２を再び参照すると、特定の実施形態では燃料噴射器１８は、酸化剤比、温度、湿度、または他の要因に基づいて、燃焼室１２内に噴射される燃料１８の量を調整することができる。しかし、燃料１８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が軸方向３４に往復（たとえば前後に）運動する。
【００１８】
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。
【００１９】
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、燃料および空気など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。
【００２０】
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の全サイクルは、７２０°サイクル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、伝統的な意味での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。
【００２１】
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、あるいはシリンダ２６とターボ過給機１７との間で、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およびターボ過給機１７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。
【００２２】
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、データを解析する処理を行って、正常なシグネチャ（たとえば、既知の予想されるノイズ）および異常なシグネチャ（たとえば、未知のまたは予想外のノイズ）を導出することができる。次にＥＣＵ２５は、以下でより詳細に説明するように、異常なシグネチャを特徴付けることができる。これらのシグネチャは、エンジン１０の動作中に後で使用するためにメモリ７４に記憶することができるルックアップテーブルにコンパイルすることができる。たとえば、正確なエンジン１０は、システム８に取り付けられる前に試験することができ、このような試験中にシグネチャを保存することができる。さらに、ルックアップテーブルは、同じモデルのテストエンジン１０により供給することができる。すなわち、同じタイプ（たとえば、製造元、モデル、バージョンなど）の１つまたは複数のエンジン１０からの動作データを記憶しコンパイルすることにより、新たに搭載されたエンジン１０のために正確なシグネチャを記憶することができる。シグネチャ解析を提供することにより、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運用とメンテナンスを可能にすることができる。
【００２３】
図３は、図１のシリンダ２６およびターボ過給機１７の近傍に配置されたセンサ２３の一実施形態の斜視図である。シリンダ２６は、上述し図２に示したように、燃焼室１２および他の部品を含む。シリンダ２６は、ターボ過給機１７に向かって進む排気を排出する。図示した実施形態では、ターボ過給機１７は、排気を受けて、それを回転運動に変換するブレード７８を含む。回転運動は、上述したように、酸化剤１６をシリンダ２６内に送り込む一組の追加のブレードに動力を供給する。センサ２３は、図示する実施形態では、シリンダ２６に近く、かつターボ過給機１７に近い位置でエンジン１０に結合されており、生成され得る振動および／または音響をピックアップする。センサ２３は、半剛性または剛性マウントによって、エンジン１０、シリンダ２６、またはターボ過給機１７に結合することができる。半剛性マウントは、センサ２３とエンジン１０との間に振動絶縁材料を含むことができる。これは、センサ２３が剛性マウントとはわずかに異なるシグネチャをピックアップできるようにすることができ、および／または、エンジン１０を動作させることに伴う摩耗および断裂からセンサ２３またはエンジン１０を保護することができる。
【００２４】
図４は、図３のセンサ２３によって送信されるデータのスペクトログラム８０である。図示する実施形態では、横軸は、センサ２３により検出された信号についての動作の相対時間８２を示す。縦軸は、センサ２３によって検出された情報の２つの同時の信号を示す。スペクトログラム８０の下部は、センサ２３によって検出された音響周波数８４を示す。スペクトログラム８０の上部は、センサ２３によって検出された音響／振動の振幅８６を示す。振幅は時間と共にわずかに変動するが、少数の全体的な傾向が明らかである。たとえば、スペクトログラム８０の振幅８６は、シリンダ２６内のノッキングがエンジン１０の通常動作の基準音９２を上回る異常に高い振動および／または音響を生成する場合に検出された２つのノック事象（すなわち、第１のノック事象８８および第２のノック事象９０）を示している。ノック事象８８、９０の周波数８４はまた非常に広く、それはノック事象８８、９０の際に明白な広い検出された周波数のバンド９４によって明らかである。また周波数グラフ８４では、センサ２３により検出されたかなり一貫した振動の３本のラインが明らかである。この３本のラインは、エンジン１０の動作時にターボ過給機１７が回転する際の共振周波数９６に相関する。第１のノック事象８８の間に共振周波数が維持されていることで明らかなように、共振周波数９６は、シリンダ２６内のノック状態からかなり独立している。
【００２５】
図示する実施形態では、第２のノック事象９０間に、エンジン１０が排気の排出を減少し始め、共振周波数９６も低下する。周波数８４の低下は、ターボ過給機１７の回転数の低下およびシリンダ２６に圧入される空気１６の減少に対応する。このように、スペクトログラム８０は、センサ２３がノック事象（たとえば、符号８８、９０）とターボ過給機１７の共振周波数９６とを同時に検出できることを示している。さらに、センサ２３は、共振周波数９６を検出するためにノック事象を検出する必要はない。したがって、センサ２３は、ターボ過給機１７の回転数を決定するために、ＥＣＵ２５に共振周波数９６の情報だけを送信することができる。
【００２６】
図５は、ターボ過給機１７の回転数を検出するために図１のＥＣＵ２５を動作させる処理１００の一実施形態のフローチャートである。処理１００は、ＥＣＵ２５によりセンサ２３から信号を受信するステップ１０２で開始する。信号は、図４のスペクトログラム８０に示した周波数および振幅の信号であってもよい。また信号は、エンジン１０の周囲の１つまたは複数の位置からの複数のセンサ２３から記録された情報を含んでもよい。たとえば、センサ２３は、ターボ過給機１７に隣接して配置されてもよいし、あるいはターボ過給機１７から少し離れたエンジン１０に結合されてもよいし、あるいは１つまたは複数のシリンダ２６に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、エンジン１０の剛性構造により、ターボ過給機１７によって生成された振動／音響信号は、エンジン１０を通って伝搬することができ、ターボ過給機１７から１０、２０、３０、４０、または５０センチメートル離れて検出することができる。したがって、センサ２３は、ターボ過給機１７から約５０ｃｍまでの距離に固定または半固定で配置することができる。
【００２７】
次に処理１００では、ＥＣＵ２５は、信号をサンプリングして、サンプル信号を生成する（ステップ１０４）。ＥＣＵ２５は、エンジン１０の状態に応じて変化するサンプリングレートを有することができる。たとえば、エンジン１０の始動時には、ＥＣＵ２５は、サンプル信号の精度を向上させるために、より速いレートでサンプリングすることができる。一方、エンジン１０の連続運転時には、ＥＣＵ２５は、より遅いレートで信号をサンプリングすることができるが、これはより長い時間にわたって信号が同じである可能性が高いからである。ターボ過給機１７が一定の回転数で回転していると予想されるので、信号が同じである可能性が高い。エンジン１０の停止中には、ターボ過給機１７の回転数が変化している可能性が高いので、したがってサンプリングレートを増加させることができる。
【００２８】
処理１００はまた、ターボ過給機１７の１つまたは複数の共振周波数を検出するために、サンプル信号をフィルタリングするステップ１０６を含む。サンプル信号をフィルタリングするステップは、エンジン１０によって生成され、ターボ過給機１７によって生成されたのではないことが知られている周波数を除去するステップを含むことができる。たとえば、エンジン１０の特定の実施形態は、３７５Ｈｚの振動周波数で動作することができる。３７５Ｈｚのローパスフィルタを用いることにより、サンプル信号は、過給機１７によって生成されている周波数をより正確に反映することができる。フィルタリングされた周波数は、ターボ過給機１７の回転数または他の特性を示すことができるので、ＥＣＵ２５は、共振周波数を解析して、ターボ過給機１７の１つまたは複数の特性を決定することができる（ステップ１０８）。解析は、上で概説したように、フィルタリングされた周波数をルックアップテーブルに記憶された周波数と比較するステップを含むことができる。ルックアップテーブルは、エンジン１０の以前の試験に基づいて、または同様のエンジン１０の試験またはモデル化により、ＥＣＵ２５のメモリ内に記憶することができる。結果を解析した後、ＥＣＵ２５は、ターボ過給機１７の回転数についての解析を出力する（ステップ１１０）。解析によって、ターボ過給機１７の任意の変化を補償するためにタイミングおよび燃料噴射などの動作パラメータを調整するように、エンジン１０を作動させることができる。
【００２９】
本発明の技術的効果は、ターボ過給機１７を含むエンジン１０の効率を増加させることを含む。本明細書に開示したＥＣＵ２５は、１つまたは複数のセンサ２３から、ターボ過給機１７の状態および動作パラメータを示す信号を受信する。それからエンジン１０は、その状況および動作パラメータに効率的に反応して、ピンギングおよび燃料消費量を低減することができ、エンジン１０およびエンジン部品の有効寿命を延ばすことができる。
【００３０】
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請求項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、それらが請求項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。
【符号の説明】
【００３１】
８  発電システム
１０  エンジン
１２  燃焼室
１４  空気供給
１６  加圧酸化剤、空気
１７  ターボ過給機
１８  燃料、燃料噴射器
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  軸方向の軸線、軸方向
３６  半径方向の軸線、半径方向
３８  円周方向の軸線、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
７２  プロセッサ
７４  メモリ
７８  ブレード
８０  スペクトログラム
８２  相対時間
８４  音響周波数、周波数グラフ
８６  振幅
８８  第１のノック事象
９０  第２のノック事象
９２  基準音
９４  バンド
９６  共振周波数
１００  処理
１０２〜１１０  ステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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