(57)【要約】      （修正有）【課題】構成要素の状態の検出に適用されるノックセンサシステムおよび方法を提供する。【解決手段】ＥＣＵ３４は、エンジン１２に配置されるノックセンサ３２から送信される、エンジン振動を示す信号を受信し、エンジンの運転中のエンジン状態を導出する。本方法は、第１の列および第２の列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、第２の列が、エンジンの構成要素の位置範囲を示すルックアップテーブルによってエンジン状態と信号とを相関させることおよびエンジン状態を通信する。【選択図】図１
2016205388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１２）に配置されたノックセンサ（３２）によって送信される、エンジン振動を示す信号を受信するステップと、
前記エンジン（１２）の運転中のエンジン状態を導出するステップと、
ルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させるステップであって、前記ルックアップテーブルが、第１の列および第２の列を少なくとも含み、前記第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記第２の列が、前記エンジン（１２）の構成要素の位置範囲を示すステップと、
前記エンジン状態を通信するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させる前記ステップが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第１の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させる前記ステップが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第２の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ノックセンサ時間ウィンドウが、前記ノックセンサ（３２）によって前記信号として送信される前記エンジン振動が前記エンジン状態を示す、エンジン運転中の時間範囲を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記エンジン状態を導出する前記ステップが、前記信号に特徴解析を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記エンジン状態を導出する前記ステップが、前記信号にベースライン比較解析を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ルックアップテーブルが、第３の列を含み、該第３の列が、前記エンジン（１２）の第２の構成要素の第２の位置範囲を示す、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させる前記ステップが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第１の位置にあったか否かおよび前記第２の構成要素がエンジン運転中に第２の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ルックアップテーブルおよび第２のルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させるステップを含み、前記第２のルックアップテーブルが、第３の列および第４の列を少なくとも含み、前記第３の列が、第２のノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記第４の列が、前記エンジン（１２）の第２の構成要素の第２の位置範囲を示す、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
プロセッサ（６４）を備えるエンジン制御システム（３４）を備えるシステムであって、前記プロセッサ（６４）が、
エンジン（１２）に配置されたノックセンサ（３２）によって送信される、エンジン振動を示す信号を受信し、
前記エンジン（１２）の運転中のエンジン状態を導出し、
第１の列および第２の列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、前記第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記第２の列が、前記エンジン（１２）の構成要素の位置範囲を示すルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させ、および
前記エンジン状態を通信する
ように構成されているシステム。
【請求項１１】
前記プロセッサ（６４）が、少なくとも部分的に前記エンジン状態に基づいて前記エンジン（１２）の動作を制御するように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させることが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第１の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させることが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第２の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記プロセッサ（６４）が、前記ルックアップテーブルおよび第２のルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させるように構成されており、前記第２のルックアップテーブルが、第３の列および第４の列を少なくとも含み、前記第３の列が、第２のノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記第４の列が、前記エンジン（１２）の第２の構成要素の第２の位置範囲を示す、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１５】
コードを記憶した有形の非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記コードが、プロセッサ（６４）に、
エンジン（１２）に配置されたノックセンサ（３２）によって送信される、エンジン振動を示す信号を受信させ、
前記エンジン（１２）の運転中のエンジン状態を導出させ、
第１の列および複数の位置列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、前記第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記複数の位置列のそれぞれが、前記エンジン（１２）の構成要素に関する位置範囲を示すルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させ、および
前記エンジン状態を通信させる
ように構成されている有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させることが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第１の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
前記エンジン状態と前記信号とを相関させることが、前記ルックアップテーブルを検索することによって、前記構成要素がエンジン運転中に第２の位置にあったか否かを検証することを含む、請求項１６に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
前記コードが、前記プロセッサ（６４）に、前記ルックアップテーブルおよび第２のルックアップテーブルによって前記エンジン状態と前記信号とを相関させるように構成されており、前記第２のルックアップテーブルが、第３の列および第４の列を少なくとも含み、前記第３の列が、第２のノックセンサ時間ウィンドウを示し、前記第４の列が、前記エンジン（１２）の第２の構成要素の第２の位置範囲を示す、請求項１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
前記複数の位置列が、カム位置（度）、クランク位置（度）、＃１右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃１右シリンダカウンタウェイト位置角、＃６左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃６左シリンダカウンタウェイト位置角、＃５右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃５右シリンダカウンタウェイト位置角、＃２左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃２左シリンダカウンタウェイト位置角、＃３右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃３右シリンダカウンタウェイト位置角、＃４左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、および最高点＝０度である最高点からの＃４左シリンダカウンタウェイト位置角を含む、請求項１５に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
前記複数の位置列が、１２のシリンダのエンジン（１２）の構成要素に対応する、請求項１９に記載の有形の非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、ノックセンサ、より具体的には、構成要素の状態の検出に適用されるノックセンサシステムおよび方法に関する。
【０００２】
燃焼エンジンは、典型的には、エンジンの特定の構成要素（例えば、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この構成要素を移動させるために炭素質燃料（天然ガス、ガソリン、およびディーゼルなど）を燃焼させて、高温高圧のガスの対応する膨張を使用する。各シリンダは、炭素質燃料の燃焼に応じて開閉される１つ以上の弁を含み得る。例えば、吸気弁は、空気などの酸化剤をシリンダ内に導き、次に、酸化剤は、燃料と混合され、燃焼され得る。次に、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流出するように導かれ得る。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運動に変換される。例えば、負荷は、電力を発生させる発電機であり得る。構成要素の状態の検出を改善することは有益であろう。
【発明の概要】
【０００３】
独創的に特許請求されている発明の範囲に相応する特定の実施形態が、以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求されている発明の範囲を限定するためのものではなく、正しくは、これらの実施形態は、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供するためのものに過ぎない。実際、本発明は、以下で述べられる実施形態と同様である場合もあれば、異なる場合もある様々な形態を包含し得る。
【０００４】
第１の実施形態において、方法が提供される。本方法は、エンジンに配置されるノックセンサによって送信される、エンジン振動を示す信号を受信することを含む。本方法は、エンジンの運転中のエンジン状態を導出することをさらに含む。本方法は、第１の列および第２の列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、第２の列が、エンジンの構成要素の位置範囲を示すルックアップテーブルによってエンジン状態と信号とを相関させることおよびエンジン状態を通信することをさらに含む。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、プロセッサを備えるエンジン制御システムを含み、プロセッサは、エンジンに配置されるノックセンサによって送信される、エンジン振動を示す信号を受信するように構成される。プロセッサは、エンジンの運転中のエンジン状態を導出するようにさらに構成される。プロセッサは、第１の列および第２の列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、第２の列が、エンジンの構成要素の位置範囲を示すルックアップテーブルによってエンジン状態と信号とを相関させ、エンジン状態を通信するようにさらに構成される。
【０００６】
第３の実施形態において、コードを記憶した有形の非一時的なコンピュータ可読媒体が提供される。コードは、プロセッサに、エンジンに配置されるノックセンサによって送信される、エンジン振動を示す信号を受信させるように構成される。コードは、エンジンの運転中のエンジン状態を導出させるようにさらに構成される。コードは、第１の列および複数の位置列を少なくとも含むルックアップテーブルであって、第１の列が、ノックセンサ時間ウィンドウを示し、複数の位置列のそれぞれが、エンジンの構成要素に関する位置範囲を示すルックアップテーブルによってエンジン状態と信号とを相関させ、エンジン状態を通信させるようにさらに構成される。
【０００７】
本発明のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面を通して同じ部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示の態様に係るエンジン駆動発電システムの実施形態のブロック図である。
【図２】本開示の態様に係るピストンアセンブリの実施形態の側断面図である。
【図３】本開示の態様に係る、図２に示されているノックセンサによって測定された、エンジンノイズのデータのプロットの実施形態である。
【図４】本開示の態様に係る、第１の吸気、圧縮、燃焼、および排気の全サイクルにわたってプロットされた燃焼特徴（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）および弁特徴（ｖａｌｖｅ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）の実施形態である。
【図５】振動データの解析およびルックアップテーブルの適用に適した工程の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】
以下では、本発明の１つ以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施態様の特徴のすべてが説明されない場合もある。このような実際の実施態様の開発（工学または設計プロジェクトにおけるような）において、実施態様ごとに異なり得る、開発者の特定の目標（システム関連およびビジネス関連の制約の遵守など）を達成するために、実施態様に特有の多数の決定がなされなければならないことが理解されるべきである。さらに、このような開発の努力は、込み入っていて、時間がかかるものであるかもしれないが、本開示の利益を受ける当業者にとっては設計、製作、および製造に関する日常的な取り組み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とき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つ以上存在することを意味することが意図されている。用語「を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であり、列挙されている要素以外にも付加的な要素が存在し得ることを意味することが意図されている。
【００１１】
本明細書で説明されている技術は、様々なガスエンジン構成要素に関係する状態を導出するためにエンジン運転中の、構成要素の動応答を検出し得る１つ以上のノックセンサシステムの使用および方法を含む。例えば、様々なエンジン構成要素（例えば、シリンダヘッドおよびガスケット）、シリンダブロックの構成要素（例えば、シリンダブロック、シリンダスリーブ）、動弁機構の構成要素（例えば、弁、弁座、弁軸）、カムシャフトおよび駆動部の構成要素（例えば、カムシャフト、カムローブ、タイミングベルト／チェーン、テンショナ）、ピストンの構成要素（例えば、ピストン、ピストンリング、コネクティングロッド）、クランクシャフトアセンブリの構成要素（例えば、クランクシャフト、エンジン軸受、フライホイール）、および歯車列の構成要素（例えば、ギヤボックス、ギヤ、出力シャフト）などを含む）に関係するノックセンサ信号が検出され得る。
【００１２】
次に、検出されたノックセンサ信号は、ノックセンサ信号をもたらした可能性がある特定のエンジン状態を特定するために、例えば「ルックアップ」テーブルを使用することによって比較されてもよい。実際、ノックセンサ信号内に存在する他のノイズデータからノックを分離する技術を適用するのではなく、本明細書で説明されている技術は、様々なエンジン状態を特定するために「スプリアス」データを包含し、このようなデータを適用する。例えばクランク角に関係する、エンジンの主要な構成要素のルックアップテーブルを有することによって、どの主要な構成要素がノイズの原因でありそうかを照合および推定するために、エンジンの主要な構成要素には、クランク角に関係する時間ウィンドウに関して、インデックスが付けられてもよい。したがって、より予防的なエンジンの整備および修理の工程が提供され得る。
【００１３】
図面を参照すると、図１は、エンジン駆動発電システム１０の部分の実施形態のブロック図を示している。以下で詳細に説明されるように、システム１０は、１つ以上の燃焼室１４（例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、またはより多くの燃焼室１４）を有するエンジン１２（例えば、レシプロ内燃機関）を含む。図１は、燃焼エンジン１２を示しているが、任意の往復運動装置が使用されてもよいことが理解されるべきである。空気供給部１６は、加圧された酸化剤１８（空気、酸素、酸素富化空気、酸素貧化空気（ｏｘｙｇｅｎ−ｒｅｄｕｃｅｄ  ａｉｒ）、またはこれらの任意の組み合わせなど）を燃焼室１４のそれぞれに供給するように構成されている。また、燃焼室１４は、燃料供給部２２から燃料２０（例えば、液体および／または気体の燃料）を受け入れるように構成されており、燃料−空気混合気は、それぞれの燃焼室１４内で点火され、燃焼される。高温の加圧された燃焼ガスによって、燃焼室１４のそれぞれに隣接するピストン２４は、シリンダ２６内を直線移動し、ガスにより加えられた圧力は、シャフト２８を回転させる回転運動に変換される。さらに、シャフト２８は、シャフト２８の回転によって動力が供給される負荷３０に連結されてもよい。例えば、負荷３０は、システム１０の回転出力によって電力を発生させ得る任意の適切な装置（発電機など）であってもよい。さらに、以下の解説では、酸化剤１８として空気に言及しているが、任意の適切な酸化剤が、開示されている実施形態に使用されてもよい。同様に、燃料２０は、任意の適切な気体燃料（例えば、天然ガス、関連する石油ガス、プロパン、バイオガス、下水ガス、埋立地ガス、炭鉱ガスなど）であってもよい。
【００１４】
本明細書に開示されているシステム１０は、定置用途（例えば、産業用発電エンジン）または移動用途（例えば、車または航空機）での使用に適合されてもよい。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ってもよい。また、エンジン１２は、任意の数の（例えば、１〜２４個の）燃焼室１４、ピストン２４、および関連するシリンダ２６を含んでもよい。例えば、特定の実施形態において、システム１０は、シリンダ２６内を往復運動する４、６、８、１０、１６、２４、またはより多くのピストン２４を有する大型の産業用レシプロエンジン１２を含んでもよい。一部のこのような場合において、シリンダ２６および／またはピストン２４の直径は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）であってもよい。一部の実施形態において、シリンダ２６および／またはピストン２４の直径は、約１０〜４０ｃｍ、約１５〜２５ｃｍ、またはおよそ１５ｃｍであってもよい。システム１０は、１０ｋＷ〜１０ＭＷの範囲の電力を発生させてもよい。一部の実施形態において、エンジン１２は、約１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で運転されてもよい。一部の実施形態において、エンジン１２は、約２０００ＲＰＭ未満、約１９００ＲＰＭ未満、約１７００ＲＰＭ未満、約１６００ＲＰＭ未満、約１５００ＲＰＭ未満、約１４００ＲＰＭ未満、約１３００ＲＰＭ未満、約１２００ＲＰＭ未満、約１０００ＲＰＭ未満、約９００ＲＰＭ未満、または約７５０ＲＰＭ未満で運転されてもよい。一部の実施形態において、エンジン１２は、約７５０〜２０００ＲＰＭ、約９００〜１８００ＲＰＭ、または約１０００〜１６００ＲＰＭで運転されてもよい。一部の実施形態において、エンジン１２は、約１８００ＲＰＭ、約１５００ＲＰＭ、約１２００ＲＰＭ、約１０００ＲＰＭ、または約９００ＲＰＭで運転されてもよい。例示的なエンジン１２は、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＣｏｍｐａｎｙのＪｅｎｂａｃｈｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｊｅｎｂａｃｈｅｒ  Ｔｙｐｅ２、Ｔｙｐｅ３、Ｔｙｐｅ４、Ｔｙｐｅ６、もしくはＪ９２０  ＦｌｅＸｔｒａ）またはＷａｕｋｅｓｈａ  Ｅｎｇｉｎｅ（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ  ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含んでもよい。
【００１５】
駆動発電システム１０は、エンジン「ノック」および／またはエンジン１２の他の動作特性を検出するのに適した１つ以上のノックセンサ３２を含んでもよい。ノックセンサ３２は、エンジン１２によって生じる振動（デトネーション、プレイグニッション、および／またはノッキングに起因する振動など）を検知するように構成された任意のセンサであってもよい。ノックセンサ３２は、コントローラ（例えば、往復運動装置コントローラ）（エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：ｅｎｇｉｎｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）３４）に通信可能に接続されるものとして示されている。運転中、ノックセンサ３２からの信号は、ノッキング状態（例えば、ノッキング）または他の挙動が存在するか否かを判定するためにＥＣＵ３４に通信される。次に、ＥＣＵ３４は、望ましくない状態を改善または回避するために特定のエンジン１２のパラメータを調整してもよい。例えば、ＥＣＵ３４は、ノッキングを回避するために点火時期および／またはブースト圧を調整してもよい。本明細書でさらに説明されるように、ノックセンサ３２は、さらに、ノッキング以外の他の振動を検出してもよい。構成要素の健全性を解析するための以下の技術は、燃焼エンジンに関して述べられているが、同技術は、他の往復運動装置（圧縮機など）にも適用され得る。
【００１６】
より具体的には、１つ以上のノックセンサ３２は、様々な信号を検出し、クランク角、ノイズ特徴、またはこれらの組み合わせに基づいてこれらの信号を相関させるために使用されてもよい。例えば、信号によりノックのみが検出されるように信号の「ノイズ」を除去するのではなく、ノックセンサ３２の信号は、特定のエンジン状態を特定するために全体として解析されてもよい。一実施形態において、信号は、検出されたノイズが特定のクランク角またはクランクタイミングと相関するか否かを判定するために、以下でより詳細に説明されるルックアップテーブルを使用することによって解析されてもよい。そうである場合、ノイズの原因である状態が、少ない１組の状態または単一の状態に絞り込まれる。さらにまたはあるいは、ノイズ特徴解析が実行されてもよく、この場合、検出されたノイズのノイズ特徴は、ルックアップテーブルと相まって状態の組をさらに絞り込み得る。
【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）内にピストン２４が配置されているピストンアセンブリ３６の実施形態の側断面図である。シリンダ２６は、円筒空洞４０（例えば、ボア）を形成している環状内壁３８を有する。ピストン２４は、軸方向軸または軸方向４２、半径方向軸または半径方向４４、および周方向軸（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ａｘｉｓ）または周方向４６を基準にして形成されてもよい。ピストン２４は、上部４８（例えば、トップランド）を含む。一般に、上部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から漏れ出ることを阻止する。
【００１８】
図示のように、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に取り付けられている。また、クランクスローの重量のバランスをとるのに有用な、クランクシャフト５０のカウンタウェイト５５が示されている。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変換する。ピストン２４が移動するにつれて、クランクシャフト５０は、上述したように、回転して負荷３０（図１に示されている）に動力を供給する。図示のように、燃焼室１４は、ピストン２４のトップランド４８に隣接して配置されている。燃料噴射器５６は、燃焼室１４に燃料２０を供給し、吸気弁５８は、燃焼室１４への空気１８の供給を制御する。排気弁６０は、エンジン１２からの排気の排出を制御する。しかしながら、燃焼室１４への燃料２０および空気１８の供給ならびに／または排気の排出を行うための任意の適切な要素ならびに／または技術が利用されてもよいことおよび一部の実施形態では燃料噴射が使用されないことが理解されるべきである。運転中、燃焼室１４内で空気１８と共に燃料２０が燃焼することによって、ピストン２４は、シリンダ２６の空洞４０内を軸方向４２に往復するように（例えば、前後に）移動する。
【００１９】
運転中、ピストン２４は、シリンダ２６内の最高点にあるとき、上死点（ＴＤＣ：ｔｏｐ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれる位置にある。ピストン２４は、シリンダ２６内のその最低点にあるとき、下死点（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ  ｄｅａｄ  ｃｅｎｔｅｒ）と呼ばれる位置にある。ピストン２４が、上から下にまたは下から上に移動するとき、クランクシャフト５０は半回転する。上から下または下から上へのピストン２４の移動のそれぞれは、ストロークと呼ばれており、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、またはより多くのストロークのエンジンを含んでもよい。
【００２０】
エンジン１２の運転中、吸気工程、圧縮工程、燃焼工程、および排気工程を含む一連の工程が典型的には行われる。吸気工程は、可燃混合気（燃料および空気など）がシリンダ２６内に吸い込まれることを可能にする。したがって、吸気弁５８は開放され、排気弁６０は閉鎖される。圧縮工程は、可燃混合気をより小さな空間に圧縮する。したがって、吸気弁５８および排気弁６０の両方は閉鎖される。燃焼工程は、圧縮された燃料−空気混合気に点火する（なお、燃焼工程は、スパーク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んでもよい）。この結果、燃焼によって生じた圧力が、ピストン２４をＢＤＣに動かす。排気工程では、典型的には、ピストン２４は、ＴＤＣに戻る。その間、排気弁６０は開放され続ける。このようにして、排気工程は、排気弁６０を介して使用済みの燃料−空気混合気を放出する。１つのシリンダ２６につき、１つより多くの吸気弁５８および排気弁６０が使用されてもよいことに留意すべきである。
【００２１】
また、エンジン１２は、クランクシャフトセンサ６２と、１つ以上のノックセンサ３２と、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３４（プロセッサ６４およびメモリ６６（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体）を含む）とを含んでもよい。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／または回転速度を検知する。したがって、クランク角またはクランクタイミングの情報が導出され得る。すなわち、燃焼エンジンを監視するとき、タイミングは、クランクシャフト５０の角度の観点からしばしば表現される。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されてもよい。１つ以上のノックセンサ３２は、圧電加速度計、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）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、および／もしくは運動を検知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。他の実施形態において、センサ３２は、従来の意味でのノックセンサではなく、振動、圧力、加速度、偏差、または運動を検知し得る任意のセンサであってもよい。
【００２２】
エンジン１２の衝撃特性（ｐｅｒｃｕｓｓｉｖｅ  ｎａｔｕｒｅ）に起因して、ノックセンサ３２は、シリンダ２６の外部に取り付けられている場合であっても、エンジン振動および／または様々なエンジン状態に関係する特定の「特徴」を検出することが可能であり得る。１つ以上のノックセンサ３２が、エンジン１２の多くの異なる位置に配置されてもよい。例えば、図２では、シリンダ２６のヘッドにある１つのノックセンサ３２が示されている。他の実施形態では、１つ以上のノックセンサ３２が、シリンダ２６の側面に使用されてもよい。さらに、一部の実施形態では、単一のノックセンサ３２が、例えば１つより多くの隣り合うシリンダ２６によって共用されてもよい。他の実施形態では、シリンダ２６のそれぞれが、シリンダ２６の一方または両方の側面に１つ以上のノックセンサ３２を含んでもよい。クランクシャフトセンサ６２およびノックセンサ３２は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３４と電子通信するものとして示されている。ＥＣＵ３４は、プロセッサ６４およびメモリ６６を含む。メモリ６６は、プロセッサ６４によって実行され得る非一時的なコード命令またはコンピュータ命令を記憶してもよい。ＥＣＵ３４は、例えばスパークタイミング、弁５８、６０のタイミングの調整ならびに燃料および酸化剤（例えば、空気）の供給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。
【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、正常燃焼の範囲外で発生する燃料の早期燃焼である。一部の場合において、ＥＣＵ３４は、エンジンノックが発生したときに、エンジンの運転パラメータを調整することによってエンジンノックを低減または回避しようとしてもよい。例えば、ＥＣＵ３４は、エンジンノックを低減または回避しようとして空気／燃料の混合、点火時期、ブースト圧などを調整してもよい。しかしながら、ノックセンサはまた、エンジンノックとは無関係な、エンジンの他の振動を検出するために使用されてもよい。
【００２４】
図３は、単一のシリンダ２６に取り付けられた単一のノックセンサ３２によって測定されたノイズデータから導出された（例えばＥＣＵ３４によって）生のエンジンノイズのプロット６８の実施形態であり、ここでは、ｘ軸７０は、時間であり、ｙ軸７２は、生のノイズ振幅である。描かれている実施形態において、ノックセンサ３２の信号の振幅曲線７４が示されている。すなわち、生の信号７４は、ノックセンサ３２によって検知され、時間に対してプロットされた、振動データ（例えば、ノイズ、音のデータ）の振幅測定値を含む。これが、サンプルデータセットのプロット６８に過ぎず、ＥＣＵ３４によって生成されるプロットを限定するためのものではないことが理解されるべきである。また、プロット６８が、１つのシリンダ２６に取り付けられた１つのノックセンサ３２からの特徴を有することが理解されるべきである。他の実施形態では、多数のシリンダ（例えば、対シリンダ（ｍａｔｉｎｇ  ｃｙｌｉｎｄｅｒ））に取り付けられた多数のノックセンサからの多数の特徴が存在してもよい。次に、生の信号７４は、以下でより詳細に説明されるように、ルックアップテーブルの使用および／または特徴解析などによって、さらに処理されてもよい。
【００２５】
特徴解析に関して、図４に示されているように、信号は、燃焼特徴７６および弁特徴７８にフィルタリングされてもよい。次に、事象が、特徴から導出され、これらの事象のタイミングが、ルックアップテーブルによってチェックされてもよい。１つ以上のノックセンサ３２からのデータが収集されたら、１つ以上のフィルタが、燃焼特徴７６（すなわち、燃焼事象に起因するノイズ）および弁特徴７８（すなわち、弁５８、６０の動作に起因するノイズ）を導出するためにデータに適用されてもよい。燃焼特徴７６および弁特徴７８は、サンプリングされたデータへのフィルタ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）の適用または他のデジタル信号処理（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）技術の適用によって導出されてもよい。例えば、ＥＣＵ３４は、１２００Ｈｚのローパスフィルタまたは０．５Ｈｚ〜１２００Ｈｚのバンドパスフィルタを適用することによって燃焼特徴７６を導出してもよい。弁特徴は、１２ｋＨｚ〜１８ｋＨｚのバンドパスフィルタを使用することによって導出されてもよい。図４は、第１の吸気、圧縮、燃焼、および排気の全サイクルにわたる燃焼特徴７６および弁特徴７８のサンプルプロット８２の実施形態である。ｘ軸８４は、秒単位の時間として示されているが、クランク角として示されてもよい。左のｙ軸８６は、弁特徴７８に対応し、右のｙ軸８８は、燃焼特徴７６に対応する。ｙ軸８６、８８のそれぞれは、対応するノイズ特徴７６、７８の振幅を示す。測定技術およびユーザの好みに応じて、単位は、ｄＢ、ボルト、または何らかの他の単位であってもよい。ｙ軸８６、８８の尺度は、２つの特徴７６、７８の振幅が異なり得ることから、異なり得ることに留意されたい。図４は、データ処理（例えば、以下の図に関してより詳細に説明される処理）を受け得るデータの例示である。図４に関するデータは、ＥＣＵ３４が、デジタル信号処理（ＤＳＰ）技術を使用することによってデータから燃焼特徴７６および弁特徴７８を導出したら、ノックセンサ３２およびクランクシャフトセンサ６２によって送信されたデータを含んでもよい。さらに、明確にするために、単一の燃焼特徴および単一の弁特徴のみが、図４には示されている。しかしながら、同じまたは同様の処理が、１つより多くのシリンダに取り付けられた１つより多くのノックセンサ３２に実行されてもよいことが理解されるべきである。
【００２６】
燃焼特徴７６は、重要な燃焼事象（測定されたシリンダ２６および対シリンダ（すなわち、測定されたシリンダ２６と３６０度位相がずれている、エンジンのシリンダ）の両方のピーク燃焼圧力（ＰＦＰ：ｐｅａｋ  ｆｉｒｉｎｇ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ）など）を含む。弁特徴７８は、吸気弁５８および排気弁６０の閉鎖を含む。いくつかの燃焼事象（ＰＦＰ（測定されたシリンダ２６および対シリンダの両方の）など）は、燃焼特徴７６および弁特徴７８の両方に現れ得る。図４は、多少の前後を含めて１回の全燃焼サイクル（すなわち、クランクシャフト５０の７２０度の回転（２回の完全な回転）を示している。各サイクルは、吸気、圧縮、燃焼、および排気を含む。
【００２７】
一例において、特徴７６、７８および／または生の信号７４は、異常状態が存在するか否かを判定するために処理されてもよい。一実施形態において、特徴７６、７８および／または生の信号７４は、ベースラインと比較され、この比較は、エンジン性能に影響を及ぼす状態が発生する程の差が存在するか否かを判定するために使用されてもよい。特徴７６、７８および／または生の信号７４とベースラインとの比較は、クランク角またはクランクタイミングの比較を含む。すなわち、特徴７６、７８および／または生の信号７４とベースラインとの差は、エンジン燃焼サイクルにおいて特徴７６、７８および／または生の信号７４が得られた時点（これは、クランク５０の位置またはクランク角と相関し得る）に基づく比較によって確かめられてもよい。ベースラインは、多数の燃焼サイクルの過程にわたってエンジン１２の正常運転を観察することによって導出されてもよい。
【００２８】
別の実施形態において、ある種の異常状態が存在するか否かの判定は、他の技術（潤滑油分析、排ガス分析、および摩耗粉検出など）によって行われてもよい。ある種の異常が発生しているか否かを判定するために使用される技術（特徴７６、７８および／または生の信号７４をベースラインと比較することを含む）にかかわらず、本明細書で説明されている技術は、さらにまたはあるいは、どの構成要素が関与している可能性があるかの特定に役立ち得る。より具体的には、本明細書で説明されている技術は、現在の状態に関与している、エンジン１２の構成要素を特定するためにルックアップテーブルを適用してもよい。
【００２９】
一実施形態において、エンジン１２の１２のシリンダの実施形態のためのルックアップテーブルは、１つ以上の位置列が後に続く最初のノックセンサ「オープン」ウィンドウ（Ｋｎｏｃｋ  ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｎｄｏｗ  “ｏｐｅｎ”）を含んでもよい。位置列は、カム位置（度）、クランク位置（度）、＃１右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃１右シリンダカウンタウェイト位置角、＃６左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃６左シリンダカウンタウェイト位置角、＃５右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃５右シリンダカウンタウェイト位置角、＃２左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃２左シリンダカウンタウェイト位置角、＃３右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃３右シリンダカウンタウェイト位置角、＃４左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、および最高点＝０度である最高点からの＃４左シリンダカウンタウェイト位置角を含んでもよい。
【００３０】
ノックセンサ「オープン」ウィンドウ列は、特定のセンサ３２が１つ以上の位置列に基づいてエンジン１２の状態を導出するのにより適する時間ウィンドウ（例えば、時間範囲）またはクランク角ウィンドウ（例えば、角度範囲）を示してもよい。例えば、＃１右シリンダ２６に配置されたノックセンサ３２は、カムシャフト位置（例えば、クランク位置（度）列）が０〜１５度であるときのウィンドウまたは範囲により適し得る。同様に、残りの列のクランク位置（度）、＃１右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃１右シリンダカウンタウェイト位置角、＃６左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃６左シリンダカウンタウェイト位置角、＃５右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃５右シリンダカウンタウェイト位置角、＃２左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃２左シリンダカウンタウェイト位置角、＃３右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃３右シリンダカウンタウェイト位置角、＃４左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、および最高点＝０度である最高点からの＃４左シリンダカウンタウェイト位置角は、特定のノックセンサ３２（例えば、＃１右、＃１左、＃２右、＃２左、＃３右、＃３左、＃４右、＃４左、＃５右、＃５左、＃６右、＃６左）が特定の位置でより効果的であるときに関係するデータを含んでもよい。
【００３１】
ルックアップテーブルは、例えば、ノックセンサ３２によって受信されるノイズおよび対応する位置列と、１つ以上のエンジン１２の状態（シリンダ２６のヘッドの構成要素（例えば、シリンダヘッドおよびガスケット）、シリンダ２６のブロックの構成要素（例えば、シリンダブロック、シリンダスリーブ）、弁５８、６０の動弁機構の構成要素（例えば、弁、弁座、弁軸）、カムシャフト５０および駆動部の構成要素（例えば、カムシャフト、カムローブ、タイミングベルト／チェーン、テンショナ）、ピストン２４の構成要素（例えば、ピストン、ピストンリング、コネクティングロッド）、クランクシャフト５０のアセンブリの構成要素（例えば、クランクシャフト、エンジン軸受、フライホイール）、および歯車列の構成要素（例えば、ギヤボックス、ギヤ、出力シャフト）などに影響を及ぼす状態など）とを相関させるように生成されてもよい。一実施形態において、クランクシャフトセンサ６２は、例えば、さらにクランクシャフト５０の位置データ（例えば、クランク位置（度）列）を提供することによって相関付けに役立ってもよい。特定のノックセンサ３２（例えば、＃１右、＃１左、＃２右、＃２左、＃３右、＃３左、＃４右、＃４左、＃５右、＃５左、＃６右、および／または＃６左のノックセンサ３２（これらの番号および位置は、例えばエンジン１２の１２のシリンダの実施形態のシリンダ２６の番号および位置に対応する）のどれかと、このノックセンサ３２が普通でないまたは不測のノイズを検出した時点とを相関させることによって、本明細書で説明されている技術は、どの構成要素が不測のノイズの原因でありそうかの推定を提供し得る。一実施形態において、１つより多くのルックアップテーブルが使用されてもよく、この場合、各テーブルは、ノイズと、特定の構成要素、１組の構成要素、エンジン状態、１組のエンジン状態、またはこれらの組み合わせとを相関させる。別の実施形態において、位置列およびノックセンサ「オープン」ウィンドウ列と相関する１組のエンジン１２の状態は、ルックアップテーブルの付加的な状態列として記憶されてもよい。したがって、本明細書で説明されている技術は、例えば既存のノックセンサ３２によって、予防的なエンジンの整備および修理の工程をもたらし得る、エンジン１２の状態のリアルタイム検出を可能にし得る。
【００３２】
図５は、ノックセンサ３２およびルックアップテーブルによって振動データを解析するのに適した処理１５０を描いたフローチャートである。処理１５０は、メモリ６６に記憶され、プロセッサ６４によって実行可能なコンピュータコードまたはコンピュータ命令として実施されてもよい。描かれている実施形態において、処理１５０は、１つ以上のルックアップテーブル１５４を生成してもよい（ブロック１５２）。上で言及したように、ルックアップテーブル１５４は、ノックセンサ３２によって受信されるノイズおよび対応する位置列と、１つ以上のエンジン１２の状態（シリンダ２６のヘッドの構成要素（例えば、シリンダヘッドおよびガスケット）、シリンダ２６のブロックの構成要素（例えば、シリンダブロック、シリンダスリーブ）、弁５８、６０の動弁機構の構成要素（例えば、弁、弁座、弁軸）、カムシャフト５０および駆動部の構成要素（例えば、カムシャフト、カムローブ、タイミングベルト／チェーン、テンショナ）、ピストン２４の構成要素（例えば、ピストン、ピストンリング、コネクティングロッド）、クランクシャフト５０のアセンブリの構成要素（例えば、クランクシャフト、エンジン軸受、フライホイール）、および歯車列の構成要素（例えば、ギヤボックス、ギヤ、出力シャフト）などに影響を及ぼす状態など）とを相関させるように生成されてもよい。
【００３３】
１２のシリンダのエンジン１２の一実施形態において、ルックアップテーブル１５４は、１つ以上の位置列が後に続くノックセンサ「オープン」ウィンドウ列を含んでもよい。位置列は、カム位置（度）、クランク位置（度）、＃１右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃１右シリンダカウンタウェイト位置角、＃６左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃６左シリンダカウンタウェイト位置角、＃５右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃５右シリンダカウンタウェイト位置角、＃２左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃２左シリンダカウンタウェイト位置角、＃３右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃３右シリンダカウンタウェイト位置角、＃４左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、および最高点＝０度である最高点からの＃４左シリンダカウンタウェイト位置角を含んでもよい。
【００３４】
ルックアップテーブル１５４の各行は、ノックセンサ「オープン」ウィンドウ列に特定のノックセンサ３２（例えば、＃１右、＃１左、＃２右、＃２左、＃３右、＃３左、＃４右、＃４左、＃５右、＃５左、＃６右、および／または＃６左のセンサ３２）および位置列に関する対応する位置値を含んでもよい。一実施形態において、試験台のエンジン１２が、ルックアップテーブル１５４を生成するために備え付けられ、使用されてもよい。例えば、上に列挙した１つ以上の、エンジン１２の状態に関係するノイズが得られ、解析され、ルックアップテーブル１５４の列が、ノイズに関連付けられてもよい。使用中、ノックセンサ３２は、エンジン１２の運転中のエンジンノイズを検知してもよい（ブロック１５６）。特定のノイズ（普通でないノイズなど）が、例えば上で説明した、ベースラインとの比較および／もしくは特徴技術を使用することによって、または他の技術によって発見されてもよい。次に、ノイズは、ルックアップテーブル１５４を適用することによって相関されてもよい（ブロック１５８）。例えば、ノイズを検出する関連するノックセンサ３２および／またはクランクシャフトセンサ６２からの信号が、テーブル１５４の位置列に関する値を導出するために使用されてもよい。検出されたノイズおよび／または特定の構成要素の位置（例えば、ルックアップテーブル１５４の位置列を使用することによって導出される）に基づいて、特定のエンジン状態が導出されてもよい（ブロック１６０）。
【００３５】
例えば、カム位置（度）、クランク位置（度）、＃１右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃１右シリンダカウンタウェイト位置角、＃６左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃６左シリンダカウンタウェイト位置角、＃５右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃５右シリンダカウンタウェイト位置角、＃２左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃２左シリンダカウンタウェイト位置角、＃３右シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、最高点＝０度である最高点からの＃３右シリンダカウンタウェイト位置角、＃４左シリンダピストン位置（ＴＤＣからのインチ）、および／または最高点＝０度である最高点からの＃４左シリンダカウンタウェイト位置角に基づいて、ノックセンサ３２によって得られたノイズが特定のエンジン状態またはエンジン状態のサブセットに起因することをより容易に絞り込む（または完全に導出する）（ブロック１６０）ことが可能であり得る。
【００３６】
次に、処理１５０は、導出されたエンジン１２の状態を通信してもよい（ブロック１６２）。例えば、処理１５０は、ＥＣＵ３４に通信可能に接続されるディスプレイに１つ以上のエンジン１２の状態を表示してもよく、エラーコード（例えば、コントローラエリアネットワーク［ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋ）］コードを設定してもよく、オンボード診断ＩＩ［ＯＢＤ−ＩＩ］コード）を設定してもよく、および警報または警告を設定してもよい、等々。ルックアップテーブル１５４によりノイズを相関させることによって、本明細書で説明されている技術は、エンジンの動作および整備工程を強化し得る。
【００３７】
本発明の技術的効果は、特定のセンサ（ノックセンサなど）によってエンジン振動を検出することを含む。１つ以上のノックセンサ「ウィンドウ」と特定のエンジン構成要素の１つ以上の位置とを関連付けるのに適した特定のルックアップテーブルが生成されてもよい。振動は、１つ以上のルックアップテーブルおよび／またはクランクシャフトセンサデータによって相関され、特定のエンジン状態が検出され得る。
【００３８】
この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３９】
１０  エンジン駆動発電システム
１２  エンジン
１４  燃焼室
１６  空気供給部
１８  酸化剤、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  エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
３６  ピストンアセンブリ
３８  環状内壁
４０  円筒空洞
４２  軸方向
４４  半径方向
４６  周方向
４８  上部、トップランド
５０  クランクシャフト、クランク、カムシャフト
５２  コネクティングロッド
５４  ピン
５５  カウンタウェイト
５６  燃料噴射器
５８  吸気弁
６０  排気弁
６２  クランクシャフトセンサ
６４  プロセッサ
６６  メモリ
６８  プロット
７０  ｘ軸
７２  ｙ軸
７４  生の信号、振幅曲線
７６  燃焼特徴
７８  弁特徴
８２  サンプルプロット
８４  ｘ軸
８６  ｙ軸
８８  ｙ軸
１５０  処理
１５２  ブロック
１５４  ルックアップテーブル
１５６  ブロック
１５８  ブロック
１６０  ブロック
１６２  ブロック
【図１】
2016205388.tif 000003
【図２】
2016205388.tif 000004
【図３】
2016205388.tif 000005
【図４】
2016205388.tif 000006
【図５】
2016205388.tif 000007
【外国語明細書】
2016205388000001.pdf