(57)【要約】    【課題】  クランク軸の軸受として分割型の転がり軸受を用いるエンジンにおいて、ノッキングの発生を精度よく判定可能とすることを課題とする。    【解決手段】  ノッキングの発生が予測されない低負荷時に、エンジン本体の振動を検出するノックセンサの信号に基づいて転がり軸受を振動源とする転動体振動のデータを取得する振動データ取得手段と、該取得手段で取得した振動データを記憶する振動データ記憶手段と、ノッキングが発生する可能性がある中、高負荷時において、前記ノックセンサからの信号が示すエンジン本体の振動に基づいてノッキングの発生を判定するときに、前記振動データ記憶手段に記憶されている振動を参照して判定するノッキング判定手段とを備え、前記転動体振動の影響を排除してノッキングの発生を判定するように構成する。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸を支持する軸受として、分割型の転がり軸受が用いられており、かつ、エンジン本体の振動を検出するノックセンサと、所定の負荷領域において該ノックセンサからの信号が示す特定周波数帯域の振動の大きさに基づいてノッキングの発生を判定するノッキング判定手段とが備えられたエンジンの制御装置であって、
前記所定の負荷領域以外のノッキングの発生が予測されない領域において、所定エンジン回転数で、前記ノックセンサの信号を入力して前記特定周波数帯域の振動データを取得する振動データ取得手段と、
該取得手段で取得した振動データを記憶する振動データ記憶手段とが備えられていると共に、
前記ノッキング判定手段は、ノックセンサからの信号が示す振動の大きさに基づいてノッキングの発生を判定するときに、前記記憶手段に記憶されている振動データを参照して判定することを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載の発明において、
前記振動データ取得手段は、所定の複数のエンジン回転数で振動データを取得し、
前記振動データ記憶手段は、振動データ取得手段で取得した振動データを、その取得時のエンジン回転数別に記憶し、
前記ノッキング判定手段は、前記記憶手段に記憶されている振動データのうち、ノッキング判定時のエンジン回転数に対応するエンジン回転数で取得したデータを参照してノッキング発生の判定を行うことを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項３】
前記請求項１又は請求項２に記載の発明において、
前記振動データ記憶手段は、振動データ取得手段が連続して取得した複数の振動データの平均値を記憶することを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項４】
前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、
転がり軸受各部位の損傷による異常振動の周波数を損傷判定周波数として各部位ごとに設定する損傷判定周波数設定手段と、
前記ノックセンサからの信号が示す振動を周波数分析して、前記各部位ごとの損傷判定周波数の振動レベルを取得する部位別振動レベル取得手段と、
該取得手段で取得した部位別振動レベルに基づいて、前記転がり軸受の部位別の損傷判定を行う損傷判定手段とが備えられていることを特徴とするエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの制御装置、特にノッキングの発生を精度よく検出するための制御装置に関し、エンジンの制御技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジン等においては、例えば特許文献１に記載されているように、エンジン本体の異常振動であるノッキングの発生を検知するために、シリンダブロックにノックセンサが取り付けられる。そして、該センサによりノッキングの発生が検出されたときには、例えば点火時期を補正することにより、その抑制が図られる。
【０００３】
また、近年、シリンダブロックにクランク軸を回転自在に支持するための軸受として、従来のブッシュ式のものに代え、転動体を用いた転がり軸受を採用することが試みられている。その場合、直列式の多気筒エンジンにおける一体形状のクランク軸に該軸受を挿入することはできないので、例えば特許文献２に記載されているように、転がり軸受の場合にも、シリンダブロック側と軸受キャップ側とに半円状に２分割されることになる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１１０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１７０２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記のように、クランク軸の軸受を分割型の転がり軸受で構成する場合、エンジンのような変動荷重を受けるものにおいては一時的に負のクリアランスが生じて軸受の寿命が著しく低下する可能性があるため、摺動面にプリロードを与えることが困難となり、そのため該摺動面と転動体との間にクリアランスが生じ、或いは分割されたアウターレースの突き合せ部にクリアランスが生じ、これらのクリアランスに起因して転動体が転動することによる振動（以下、「転動体振動」という）が発生することがある。
【０００６】
そして、この振動がシリンダブロックに伝達されると、前記ノックセンサがこの振動を拾い、ノッキングが発生したものと誤認するなど、ノッキングの発生の判定精度を低下させることになる。
【０００７】
そこで、本発明は、クランク軸の軸受として分割型の転がり軸受を用いるエンジンにおいて、該軸受の転動体振動の影響を除去して、ノッキングの発生を精度よく判定可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。
【０００９】
まず、本願の請求項1に記載の発明は、クランク軸を支持する軸受として、分割型の転がり軸受が用いられており、かつ、エンジン本体の振動を検出するノックセンサと、所定の負荷領域において該ノックセンサからの信号が示す特定周波数帯域の振動の大きさに基づいてノッキングの発生を判定するノッキング判定手段とが備えられたエンジンの制御装置であって、前記所定の負荷領域以外のノッキングの発生が予測されない領域において、所定エンジン回転数で、前記ノックセンサの信号を入力して前記特定周波数帯域の振動データを取得する振動データ取得手段と、該取得手段で取得した振動データを記憶する振動データ記憶手段とが備えられていると共に、前記ノッキング判定手段は、ノックセンサからの信号が示す振動の大きさに基づいてノッキングの発生を判定するときに、前記記憶手段に記憶されている振動データを参照して判定することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記振動データ取得手段は、所定の複数のエンジン回転数で振動データを取得し、前記振動データ記憶手段は、振動データ取得手段で取得した振動データを、その取得時のエンジン回転数別に記憶し、前記ノッキング判定手段は、前記記憶手段に記憶されている振動データのうち、ノッキング判定時のエンジン回転数に対応するエンジン回転数で取得したデータを参照してノッキング発生の判定を行うことを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記振動データ記憶手段は、振動データ取得手段が連続して取得した複数の振動データの平均値を記憶することを特徴とする。なお、エンジン回転数別に記憶する場合は、同一回転数で連続して取得した複数のデータの平均値をその回転数領域のデータとして記憶することになる。
【００１２】
そして、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、転がり軸受各部位の損傷による異常振動の周波数を損傷判定周波数として各部位ごとに設定する損傷判定周波数設定手段と、前記ノックセンサからの信号が示す振動を周波数分析して、前記各部位ごとの損傷判定周波数の振動レベルを取得する部位別振動レベル取得手段と、該取得手段で取得した部位別振動レベルに基づいて、前記転がり軸受の部位別の損傷判定を行う損傷判定手段とが備えられていることを特徴とする。
【００１３】
この場合、損傷判定手段による判定方法としては、いずれかの損傷判定周波数の振動レベルが所定の閾値を超えたときに当該部位が損傷したものと判定する方法や、振動レベルの前回検出値に対する今回検出値の増分、或いは検出値の単位時間当たりの増加率が所定の閾値を超えたときに当該部位が損傷したものと判定する方法などがある。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように構成したことにより、本願各請求の発明によれば、次の効果が得られる。
【００１５】
まず、クランク軸を支持する軸受として分割型の転がり軸受が用いられていることにより、シリンダブロック等に取り付けられたノックセンサは、エンジン本体の振動として、ノッキングによる振動と転がり軸受が振動源となる転動体振動とを含む振動を検出することになるが、請求項1に記載の発明によれば、ノッキングの発生が予測されない負荷領域、つまりエンジン本体の振動が主として転動体振動で構成される領域において、予めノッキング判定を行う特定周波数帯域の振動データを取得して記憶しておき、ノッキング発生の判定を行う際に、この振動データを参照して判定を行うので、ノックセンサの信号が示すエンジン本体の振動から転動体振動の影響を除去して、ノッキング振動のみを取り出すことが可能となる。
【００１６】
これにより、ノッキングの発生を精度よく判定することが可能となり、点火時期の適切な補正制御が実現される。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明によれば、ノッキングの発生が予測されない負荷領域において振動データを取得する所定エンジン回転数を複数設定して、取得した振動データを所定回転数別に記憶しておくと共に、ノッキング判定時に、そのときの回転数に対応する回転数で取得した振動データを参照するようにしたから、ノックセンサの信号が示すエンジン本体の振動から転動体振動の影響を除去する際に精度よく除去することが可能となり、ノッキング判定の精度がさらに向上することになる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明によれば、振動データ取得手段が取得した振動データを記憶する際に連続して取得した複数の振動データの平均値を記憶するので、外乱等により一時的、突発的に生じた特異な振動データをそのまま用いることによるノッキング判定の誤判定や判定精度の低下が抑制されることになり、該ノッキング判定がさらに精度よく行われることになる。
【００１９】
そして、請求項４に記載の発明によれば、転がり軸受の損傷による異常振動を周波数分析することによりその損傷発生部位を特定することができることに着目し、各部位ごとに損傷発生の判定周波数を設定して、その周波数での振動レベルを取得するようにしたから、該振動レベルを閾値と比較し、或いは該振動レベルの増分を算出することにより、各部位における損傷の発生の有無を判定することが可能となる。そして、その判定結果を例えばエンジン故障自己診断システムに出力することにより、当該軸受の故障の自己診断が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係るエンジンで用いられているクランク軸支持用の転がり軸受１０の構成を示すもので、該軸受１０は、エンジンのシリンダブロック１に取り付けられた半円状の上側軸受１０ａと、軸受キャップ２に取り付けられた同じく半円状の下側軸受１０ｂとに２分割された構成で、いずれも、リングを２分割した形状のアウターレース１１、１１と、同じくリングを２分割した形状のケージ１２、１２と、これらのケージ１２、１２にそれぞれ複数個ずつ保持されたころ状の転動体１３…１３とで構成されている。
【００２２】
そして、前記軸受キャップ２がボルト３、３によってシリンダブロック１に結合されることにより、上下の軸受１０ａ、１０ｂ間にクランク軸４のジャーナル部４ａが挟持され、該クランク軸４がシリンダブロック１に回転自在に支持されるようになっている。
【００２３】
図２は、本実施の形態に係るエンジンの制御システム、特に点火時期を制御する部分の構成を示すもので、このシステムは、コントロールユニット２０を有し、該ユニット２０に、エンジン回転数を検出する回転数センサ２１からの信号と、スロットル開度や吸入空気量等からエンジン負荷を検出する負荷センサ２２からの信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ２３からの信号とが入力され、これらの信号に基づいて点火時期を決定し、その点火時期で点火するように点火装置３０に制御信号を出力するようになっている。
【００２４】
また、このコントロールユニット２０は、シリンダブロック等に取り付けられてエンジン本体の振動を検出するノックセンサ２４からの信号を入力し、ノッキング発生時に点火時期の補正制御を行うようになっている。
【００２５】
その場合に、該コントロールユニット２０は、前記エンジン本体の振動に含まれる転がり軸受１０における転動体１３の転動に起因する転動体振動の影響を除去し、ノッキングの発生を精度よく判定するための制御を行うように構成されており、そのためのテーブルとして、該コントロールユニット２０の記憶装置２０aに、図３に示すエンジン回転領域ごとに転動体振動のデータを記録する転動体振動データテーブルと、図４に示す転がり軸受の部位ごとに特有の周波数の振動レベルを記録する部位別振動レベルテーベルとが設けられている。
【００２６】
次に、このコントロールユニット２０によるノッキング判定制御の具体的動作をフローチャートに従って説明する。
【００２７】
まず、図５のフローチャートのステップＳ１で、後述する転がり軸受損傷判定制御により、転がり軸受のいずれかの部位に損傷があると判定されたか否かを判定し、損傷があると判定されている場合には、以下の制御を行うことなくノッキング判定制御を終了する、或いは点火時期をリタードした状態で固定してノッキング判定を終了する。
【００２８】
転がり軸受の各部位に損傷がないと判定されたときは、次にステップＳ２で、回転数センサ２１及び負荷センサ２２からの信号によりエンジンの回転数及び負荷を検出し、ステップＳ３で、これらの信号に基づき、現在の運転状態がアイドル状態又は減速状態のいずれかであるか否かを判定する。これは、アイドル時や減速時はエンジンの状態が不安定で、ノッキング判定に用いる転動体振動を精度よく検出できない可能性があるからであり、これらの場合、以下の制御を行わない。
【００２９】
一方、エンジンの運転状態がアイドル状態でもなく、減速状態でもないときは、次にステップＳ４で、エンジン負荷が所定の低負荷領域にあるか否かを判定する。この低負荷領域はノッキングの発生が予測されない領域であり、ノックセンサ２４からの信号が示すエンジン本体の振動は、主として前記転動体振動で成り立っている。そこで、この低負荷領域において、転動体振動の検出制御を行う。
【００３０】
即ち、まずステップＳ５で、エンジン回転数が、転動体振動を検出するための回転数として予め設定された複数の所定回転数のいずれかであるか否かを判定する。この所定回転数は、図３に示す転動体振動レベルテーブルに設定された複数の回転領域をそれぞれ代表する回転数とされている。
【００３１】
そして、いずれかの所定回転数に等しく或いはほぼ等しいときは、ステップＳ６で、ノックセンサ２４からの信号に基づいてエンジン本体の振動を入力し、ステップＳ７で、この振動について帯域フィルタ処理を行い、特定周波数帯域の振動を抽出すると共に、ステップＳ８で、その帯域内の振動レベルの平均値Ｌｂを算出する。ここで、前記特定周波数帯域は、エンジン本体の振動からノッキングの発生を判定する際の周波数帯域として予め設定されているものであり、例えば７ＫＨｚを中心とする一定幅の帯域が設定される。
【００３２】
これにより、低負荷時におけるエンジン本体の振動の全周波数特性が例えば図６に示すような特性であるときに、その振動から図７に示す特定周波数帯域の特性が抽出され、かつ、その帯域内の振動レベルの平均値Ｌｂが求められる。
【００３３】
そして、ステップＳ９で、この特定周波数帯域内における振動レベルの平均値Ｌｂを、そのときのエンジン回転数が属する回転領域での振動データとして、図３のテーブルの該当する回転領域の欄に記録する。その場合、既に当該回転領域に振動データが記録されているときは、それを更新することになる。
【００３４】
なお、ステップＳ１０として、転がり軸受の損傷判定制御を行うが、この制御については後に詳述する。
【００３５】
以上のようにして、ノッキングの発生が予測されない低負荷領域で、転がり軸受の転動体振動データをエンジン回転領域ごとに取得し、記録しておく。そして、ノッキングの発生が予測される中、高負荷時に、この振動データを用いて、ノッキングの判定を行う。
【００３６】
即ち、ステップＳ４で、エンジンの負荷が、低負荷領域以外の中、高負荷領域にあることが判定されると、ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３で、前記ステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８と同様にして、ノックセンサ２４からの信号に基づいてエンジン本体の振動を入力すると共に、この振動について帯域フィルタ処理を行って、前記特定周波数帯域の振動を抽出し、さらに、その帯域内の振動レベルの平均値Ｌｎを算出する。
【００３７】
これにより、中、高負荷時におけるエンジン本体の振動の全周波数特性が例えば図８に示すような特性を示すときに、その振動から図９に示す特定周波数帯域の特性が抽出され、かつ、その帯域内の振動レベルの平均値Ｌｎが求められる。
【００３８】
そして、次にステップＳ１４で、前記転動体振動データテーブルから現時点のエンジン回転数が属する回転領域における転動体振動の平均値Ｌｂを読み出し、ステップＳ１５で、今回求めた平均値Ｌｎから読み出した平均値Ｌｂを減算する。これにより、特定周波数帯域内における転動体振動が除去されたエンジン本体の振動、即ち主としてノッキングに起因する振動の大きさ（Ｌｎ−Ｌｂ）が得られることになり、ステップＳ１６で、その大きさが所定の閾値より大きいか否かを判定する。そして、閾値より大きいときはノッキングが発生しているものと判断し、ステップＳ１７で、点火時期を例えばリタードさせるなどの点火時期補正制御を行う。
【００３９】
これにより、ノッキングが解消されることになるが、そのノッキング発生の判定に際しては、分割型転がり軸受を用いることによる転動体振動の影響が除去されているので、例えば、この転動体振動をノッキングによる振動と誤認したり、ノッキングの振動を過大に評価したりする誤判定が回避され、ノッキングの発生が精度よく判定されると共に、これに伴って、点火時期の補正制御が適正に行われることになる。
【００４０】
なお、前記ステップＳ９で、転動体振動の特定周波数帯域における平均値Ｌｂをテーブルに記録する際に、同一のエンジン回転数において複数の制御サイクルで連続的に得られた平均値Ｌｂの平均値を記録し、また、ステップＳ１５で、ノッキング振動の大きさを算出する際に、複数の制御サイクルで連続的に得られたエンジン本体の振動の平均値Ｌｂの平均値に基づいて算出するようにしてもよく、このようにすれば、ノイズ等による一時的、突発的な振動の発生による影響を排除し、精度のよいノッキング発生の判定が行われることになる。
【００４１】
また、以上の実施の形態においては、前述のように、ノッキングの発生が予測されない低負荷時に、図５のフローチャートのステップＳ１０で転がり軸受の損傷判定制御を行っており、次に、この制御の具体的動作を図１０に示すフローチャートに従って説明する。
【００４２】
この制御では、まずステップＳ２１で、現在のエンジン回転数が予め設定された損傷判定回転領域にあるか否かを判定する。そして、エンジン回転数がこの判定回転領域にあれば、次にステップＳ２２で、転がり軸受の各部位ごとの基本周波数を算出する。
【００４３】
この基本周波数は、損傷が生じたときに、各部位ごとにエンジン回転数に対応する特有の周波数のピーク振動が発生することに着目して算出されるもので、図１に示すアウターレース１１、インナーレース（クランク軸のジャーナル部）４ａ、ケージ１２、及び転動体１３についての基本周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は、そのときのエンジン回転数をＮ、転動体の個数をＺ、転動体の直径をｄ、ピッチ径（図１参照）をＤとしたときに、それぞれ次の式で求められる。
【００４４】
ｆ１＝（Ｎ／６０）×｛（Ｄ−ｄ）／２Ｄ｝×Ｚ
ｆ２＝（Ｎ／６０）×｛（Ｄ＋ｄ）／２Ｄ｝×Ｚ
ｆ３＝（Ｎ／６０）×｛（Ｄ２−ｄ２）／（Ｄ×ｄ）｝
ｆ４＝（Ｎ／６０）×｛（Ｄ−ｄ）／２Ｄ｝
【００４５】
次に、ステップＳ２３で、上記基本周波数ｆ１〜ｆ４の各次数成分中の前記特定周波数帯域に属する次数成分の周波数Ｆ１〜Ｆ４を、ｎ１〜ｎ４を次数として、次式により算出する。
【００４６】
Ｆ１＝ｎ１×ｆ１
Ｆ２＝ｎ２×ｆ２
Ｆ３＝ｎ３×ｆ３
Ｆ４＝ｎ４×ｆ４
【００４７】
これにより、各部位に特有の周波数（損傷判定周波数）が、いずれも前記特定周波数帯域内に属する周波数として設定されることになる。
【００４８】
ここで、この損傷判定制御を特定のエンジン回転数のときにのみ行うようにすれば、各部位の基本周波数ｆ１〜ｆ４及び損傷判定周波数Ｆ１〜Ｆ４は一定値となるので、予め計算して登録しておいてもよい。
【００４９】
次に、ステップＳ２４で、ノックセンサ２４からの信号が示す振動の前記各損傷判定周波数における振動レベルを検出し、図４に示す部位別振動レベルテーブルにその値を各部位ごとに記録する。その場合に、このテーブルには、今回検出したレベルを記録するときに、前回検出したレベルを前回値にシフトした上で、今回のレベルを記録するようになっている。
【００５０】
そして、ステップＳ２５で、まず、１つの部位についての振動レベルを読み出し、ステップＳ２６で、そのレベルが当該部位について予め設定された閾値を超えているか否かを判定する。当該部位が損傷している場合には、その部位についての周波数でピークが発生し、そのピークレベルが閾値を超えることになる。そして、超えている場合には、ステップＳ２７で、その部位が損傷しているものと特定する。
【００５１】
また、当該部位についての振動レベルが閾値を超えていない場合は、ステップＳ２６からステップＳ２８を実行し、同一部位について前記テーブルに前回値として記録されている値に対する今回検出した値の増分を算出する。そして、ステップＳ２９で、その増分が予め設定された閾値を超えているか否かを判定し、超えている場合、換言すれば損傷によるピークが発生し或いはそのピークが増大しているときは、前記ステップＳ２７で、その部位が損傷しているものと特定する。
【００５２】
その場合、過去の複数制御サイクルで得られた値から単位時間当たりの増加率を算出し、その増加率が所定の閾値を超えたときに当該部位が損傷しているものと特定するようにしてもよい。
【００５３】
そして、以上のような判定制御を各部位について行い、全部位について終了すれば、ステップＳ３０からステップＳ３１を実行し、ステップＳ２７で損傷しているものと特定した部位があるときには、別途備えられたエンジンの故障診断システムに出力する。
【００５４】
以上のようにして、この実施の形態では、ノッキングの発生が予測されない低負荷領域で検出したエンジン本体の振動を用いて、転がり軸受の各部位の損傷の有無の判定が行われることになり、エンジンの故障診断で利用されることになる。
また、この制御により、いずれかの部位に損傷が発生しているものと判定されたときには、前述のように、図５のフローチャートのステップＳ１で、ノッキング判定制御の実行が阻止されるので、転がり軸受の損傷による異常な振動が発生している状態で、転動体振動を検出し、その振動データを用いてノッキング判定を行うことによる誤判定や判定精度の低下が防止されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明は、クランク軸の軸受として分割方の転がり軸受を用いる場合に、エンジンのノッキング発生の判定を精度よく行うことが可能となり、したがって、例えば自動車用等のエンジンの製造産業において、好適に利用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態に係る軸受の構造を示す図である。
【図２】点火時期の制御システムを示すブロック図である。
【図３】同システムで用いられる転動体振動データテーブルの説明図である。
【図４】同じく部位別振動レベルテーブルの説明図である。
【図５】ノッキング判定制御の動作を示すフローチャートである。
【図６】低負荷時のエンジン本体の振動の周波数特性の一例を示す図である。
【図７】同振動の特定周波数帯域部分の平均値を示す図である。
【図８】中、高負荷時のエンジン本体の振動の周波数特性の一例を示す図である。
【図９】同振動の特定周波数帯域部分の平均値を示す図である。
【図１０】損傷判定制御の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１０          分割型転がり軸受
２０          コントロールユニット（振動データ取得手段、ノッキング判定手段）
２０ａ        記憶部（振動データ記憶手段）
２４          ノックセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009030470.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009030470.tif 000007
【図６】
2009030470.tif 000008
【図７】
2009030470.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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