特許 6672018 ピストンスラップからエンジンノックを識別するシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6672018

(24)【登録日】2020年3月6日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】ピストンスラップからエンジンノックを識別するシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   G01H 17/00 20060101AFI20200316BHJP

   G01M 15/12 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   G01H17/00 B

   G01M15/12

【請求項の数】17

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-41659(P2016-41659)

(22)【出願日】2016年3月4日

(65)【公開番号】特開2016-170169(P2016-170169A)

(43)【公開日】2016年9月23日

【審査請求日】2019年2月27日

(31)【優先権主張番号】14/644,526

(32)【優先日】2015年3月11日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】319005659

【氏名又は名称】エーアイ アルパイン ユーエス ビドゥコ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100091568

【弁理士】

【氏名又は名称】市位 嘉宏

(72)【発明者】

【氏名】ジェフリー・ジェイコブ・ビズブ

【審査官】 岡村 典子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２０９７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４３６４２６０（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５５７９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｈ １／００−１７／００

Ｇ０１Ｍ １５／００−１５／１４

Ｇ０１Ｌ ２３／２２

Ｆ０２Ｄ ４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

往復動デバイスにおいてピストンスラップからエンジンノックを識別する方法であって、
スラスト面及びアンチスラスト面を備えるシリンダの基本周波数を取得すること、
前記シリンダ上に配設された第１のノックセンサから第１の信号を受信すること、
前記基本周波数及び前記基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における前記第１の信号の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することにより、ピストンスラップの存在を特定すること、及び、
前記１つ又は複数の高調波周波数が増加するにつれて前記複数の振幅が減少するか否かを評価することにより、エンジンノックの存在を特定することを含む、方法。

【請求項2】

前記１つ又は複数の高調波周波数が、前記基本周波数の整数倍である、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記１つ又は複数の高調波周波数が、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６の高調波周波数を含む、請求項２記載の方法。

【請求項4】

前記第１のノックセンサが、前記シリンダの前記スラスト面上に配設され、前記シリンダ内でピストン移動軸に垂直に配向する、請求項１記載の方法。

【請求項5】

ピストンスラップの存在の知覚可能な指示をユーザに提供することを更に含む、請求項１記載の方法。

【請求項6】

或る周波数において、ピストンスラップが、エンジンノックが前記周波数で存在する場合に存在しないと特定することを更に含む、請求項１記載の方法。

【請求項7】

前記シリンダの前記アンチスラスト面上に配設された第２のノックセンサから第２の信号を受信すること、及び、
ピストンスラップ信号を導出するため前記第１の信号から前記第２の信号を減算することを更に含む、請求項４載の方法。

【請求項8】

システムであって、
往復動デバイスを制御するように構成されるコントローラを備え、前記コントローラが、プロセッサを備え、前記プロセッサは、
スラスト面及びアンチスラスト面を備えるシリンダの基本周波数を取得し、
前記シリンダ上に配設された第１のノックセンサから第１の信号を受信し、
前記基本周波数及び前記基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における前記第１の信号の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することにより、ピストンスラップの存在を特定し、
前記１つ又は複数の高調波周波数が増加するにつれて前記複数の振幅が減少するか否かを評価することにより、エンジンノックの存在を特定するように構成される、システム。

【請求項9】

前記１つ又は複数の高調波周波数が、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６の高調波周波数を含む、請求項８記載のシステム。

【請求項10】

前記第１のノックセンサが、前記シリンダの前記スラスト面上に配設され、前記シリンダ内でピストン移動軸に垂直に配向する、請求項８記載のシステム。

【請求項11】

前記プロセッサが、ピストンスラップの存在の知覚可能な指示をユーザに提供するように更に構成される、請求項１０記載のシステム。

【請求項12】

前記プロセッサは、
前記シリンダの前記アンチスラスト面上に配設された第２のノックセンサから第２の信号を受信し、
ピストンスラップ信号を導出するため前記第１の信号から前記第２の信号を減算するように更に構成される、請求項１０記載のシステム。

【請求項13】

実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記実行可能命令は、実行されると、プロセッサが、
スラスト面及びアンチスラスト面を備えるシリンダの基本周波数を取得し、
前記シリンダの前記スラスト面上に配設された第１のノックセンサから第１の信号を受信し、
前記基本周波数及び前記基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における前記第１の信号の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することにより、ピストンスラップの存在を特定し、
前記１つ又は複数の高調波周波数が増加するにつれて前記複数の振幅が減少するか否かを評価することにより、エンジンノックの存在を特定するようにさせる、実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項14】

前記第１のノックセンサが、前記シリンダ内でピストン移動軸に垂直に配向する、請求項１３記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項15】

前記プロセッサが更に、
前記シリンダの前記アンチスラスト面上に配設された第２のノックセンサから第２の信号を受信し、
ピストンスラップ信号を導出するため前記第１の信号から前記第２の信号を減算するようにさせる、請求項１３記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項16】

前記１つ又は複数の高調波周波数が、前記基本周波数の整数倍である、請求項１３記載の実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。

【請求項17】

前記プロセッサが更に、ピストンスラップの存在の知覚可能な指示をユーザに提供するようにさせる、請求項１３記載の実行可能命令を含む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】

本明細書で開示される主題は、ノックセンサに関し、より具体的には、燃焼エンジンにおいてエンジンノック及びピストンスラップを検知するのに適したノックセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

燃焼エンジンは、通常、天然ガス、ガソリン、ディーゼル、及び同様なもの等の炭素質燃料を燃焼させ、高温でかつ高圧のガスの、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、それにより、或る距離にわたって構成要素を移動させる。各シリンダは、炭素質燃料の燃焼に関連して開閉する１つ又は複数の弁を含むことができる。例えば、吸気弁は、空気等の酸化剤をシリンダ内に方向付けし、酸化剤は、次に、燃料と混合し燃焼される。燃焼流体、例えば高温ガスを、次に、排気弁を介してシリンダを出るように方向付けることができる。したがって、炭素質燃料は、負荷を駆動するときに有用な機械的運動に変換される。例えば、負荷は電力を生成する発電機であるとすることができる。

【0003】

ノックセンサは、マルチシリンダ燃焼エンジンをモニターするために使用される可能性がある。ノックセンサは、エンジンシリンダの外部に搭載され、エンジンが所望に応じて運転しているか否かを判定するために使用される可能性がある。時として、ノックセンサは、ピストンスラップを検出し、ピストンスラップをエンジンノックと間違える。これが起こると、ノックセンサに接続されるエンジン制御システムは、ノックセンサが起こっていると思っているが実際にはピストンスラップであるエンジンノックをなくすために調整を行おうと試みる場合がある。これらの調整は、エンジンノックを誘発させる、又はそうでなければ、望ましくない方法でエンジンを運転させる場合がある。したがって、エンジンノックからピストンスラップを識別する方法を有することが望ましいであろう。

【発明の概要】

【0004】

当初特許請求される本発明と範囲が一致する或る実施形態が以下で要約される。これらの実施形態は、特許請求される本発明の範囲を制限することを意図されるのではなく、むしろ、これらの実施形態は、本発明の考えられる形態の簡潔な要約を提供することだけを意図される。実際には、本発明は、以下で述べる実施形態と同様であるか又は異なる場合がある種々の形態を包含することができる。

【0005】

第１の実施形態において、往復動デバイスにおいてエンジンノックからピストンスラップを識別する方法は、スラスト面及びアンチスラスト面を有するシリンダの基本周波数を取得すること、シリンダ上に搭載された第１のノックセンサから第１の信号を受信すること、及び、基本周波数及び基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における第１の信号の第１の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することによってピストンスラップを特定することを含む。

【0006】

第２の実施形態において、システムは、往復動デバイスを制御するように構成されるコントローラを含み、コントローラはプロセッサを含み、プロセッサは、スラスト面及びアンチスラスト面を含むシリンダの基本周波数を取得し、シリンダ上に配設された第１のノックセンサから第１の信号を受信し、基本周波数及び基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における第１の信号の第１の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することによってピストンスラップの存在を特定するように構成される。

【0007】

第３の実施形態において、実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体であって、実行可能命令は、実行されると、プロセッサが、スラスト面及びアンチスラスト面を有するシリンダの基本周波数を取得し、シリンダのスラスト面上に配設された第１のノックセンサから第１の信号を受信し、基本周波数及び基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における第１の信号の第１の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することによってピストンスラップの存在を特定するようにさせる、実行可能命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体。

【0008】

本発明のこれらのまた他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれるときによりよく理解されるであろう。図面において、同様の記号は図面全体を通して同様の部分を示す。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の態様によるエンジン駆動式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ピストンスラップを示すピストンの一実施形態の側断面図である。

【図4】本開示の態様によるノックセンサによって取込まれるデータのサンプルスペクトルプロットの一実施形態を示す図である。

【図5】本開示の態様による、単一ノックセンサを使用してエンジンノックからピストンスラップを識別するためのプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

【図6】本開示の態様による、２つのノックセンサを使用してエンジンノックからピストンスラップを識別するためのプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の１つ又は複数の特定の実施形態が以下で説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようとして、本明細書において、実際の実装形態の全ての特徴が述べられない場合がある。こうしたいかなる実際の実装形態の開発においても、いずれの工学的又は設計プロジェクトとも同様に、実装形態ごとに異なる場合があるシステム関連及びビジネス関連制約の順守等の、開発者の特定の目標を達成するための多数の実装形態固有の意思決定が行われなければならないことが認識されるべきである。更に、こうした開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでも、本開示の利益を受ける当業者にとって、設計、製作、製造の日常的な仕事であることが認識されるべきである。

【0011】

本発明の種々の実施形態の要素を導入するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つ又は複数が存在することを意味することを意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包含的であることを意図され、挙げた要素以外の更なる要素が存在する場合があることを意味する。

【0012】

往復動デバイス（例えば、燃焼エンジン）をモニターするためにノックセンサを使用するとき、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）は、ノックセンサ測定値に基づいて調整を行って、エンジンが運転する方法を改善することができる。ピストンスラップは、ピストンが、燃焼中にシリンダ内で移動している間に、シリンダの一方の側面に接触するか又は一方の側面を押付けるときに起こる。ピストンスラップは、不整合のピストン−シリンダ組合せ、摩耗したピストン、シリンダ、ロッド、及び／又はピン、不十分な潤滑等の結果である場合がある。エンジンの動作パラメータを調整することによってなくすことができるエンジンノックと違って、ピストンスラップは、摩耗した部品及びピストンとシリンダとの間の嵌合によることが多い。そのため、ＥＣＵは、エンジンの動作パラメータを調整することによってピストンスラップを回避することができない場合がある。ピストンスラップが、エンジンノックと同様の周波数で起こり、エンジンノックと同様の振幅を有するため、ノックセンサは、エンジンスラップを検出し、エンジンスラップをエンジンノックと間違える場合がある。ＥＣＵは、その後、ＥＣＵが、エンジンノックであると考えているが実際にはピストンスラップであるものを回避しようとしてエンジンの動作パラメータに対して調整を行うことができる。エンジンの動作パラメータに対するこれらの調整は、エンジンノックを誘発させる、又はそうでなければ、エンジンが望ましくない方法で運転するようにさせる。したがって、エンジンノックからピストンスラップを識別する方法を有することが有益である。

【0013】

図面を考えると、図１は、エンジン駆動式発電システム１０の一部分の一実施形態のブロック図を示す。以下で詳細に述べるように、システム１０は、１つ又は複数の燃焼チャンバ１４（例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、１０、１２、１４、１６、１８、２０、又はそれより多い数の燃焼チャンバ１４）を有するエンジン１２（例えば、往復動内燃エンジン）を含む。図１は燃焼エンジン１２を示すが、任意の往復動デバイスを使用することができることが理解されるべきである。空気供給部１６は、空気、酸素、酸素富化空気、酸素減少空気、又はそれらの任意の組合せ等の加圧済み酸化剤１８を各燃焼チャンバ１４に提供するように構成される。燃焼チャンバ１４はまた、燃料供給部２２から燃料２０（例えば、液体及び／又はガス燃料）を受取るように構成され、燃料−空気混合気は、各燃焼チャンバ１４内で点火し燃焼する。高温の加圧済み燃焼ガスは、各燃焼チャンバ１４に隣接するピストン２４が、シリンダ２６内で直線的に移動し、ガスによって加えられる圧力を回転運動に変換し、回転運動がシャフト２８を回転させる。更に、シャフト２８を、負荷３０に結合することができ、負荷３０は、シャフト２８の回転によって動力供給される。例えば、負荷３０は、発電機等のシステム１０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したデバイスであるとすることができる。更に、以下の議論は酸化剤１８として空気に言及するが、任意の適した酸化剤を、開示される実施形態と共に使用することができる。同様に、燃料２０は、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、炭鉱ガス等の任意の適したガス燃料であるとすることができる。

【0014】

本明細書で開示されるシステム１０は、固定用途において（例えば、産業用発電エンジンにおいて）又は可動用途において（例えば、車又は航空機において）使用するため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、又は６ストロークエンジンであるとすることができる。エンジン１２はまた、任意の数の燃焼チャンバ１４、ピストン２４、及び関連する（例えば、１〜２４の）シリンダを含むことができる。例えば、或る実施形態において、システム１０は、シリンダ２６内で往復動する４つ、６つ、８つ、１０、１６、２４、又はそれより多い数のピストン２４を有する大規模産業用往復動エンジンを含むことができる。こうした幾つかの場合、シリンダ及び／又はピストン２４は、約１３．５〜３４センチメートル（ｃｍ）の間の直径を有することができる。幾つかの実施形態において、シリンダ及び／又はピストン２４は、約１０〜４０ｃｍの間、１５〜２５ｃｍの間、又は約１５ｃｍの直径を有することができる。システム１０は、１０ｋＷから１０ＭＷの範囲の電力を発生することができる。幾つかの実施形態において、エンジン１２は、少なくとも約１８００回転／分（ＲＰＭ）未満で動作することができる。幾つかの実施形態において、エンジン１２は、約２０００ＲＰＭ、１９００ＲＰＭ、１７００ＲＰＭ、１６００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１４００ＲＰＭ、１３００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、９００ＲＰＭ、又は７５０ＲＰＭ未満で動作することができる。幾つかの実施形態において、エンジン１２は、約７５０〜２０００ＲＰＭの間、９００〜１８００ＲＰＭの間、又は１０００〜１６００ＲＰＭの間で動作することができる。幾つかの実施形態において、エンジン１２は、約１８００ＲＰＭ、１５００ＲＰＭ、１２００ＲＰＭ、１０００ＲＰＭ、又は９００ＲＰＭで動作することができる。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、又はＪ９２０ＦｌｅＸｔｒａ）又はＷａｕｋｅｓｈａエンジン（例えば、Ｗａｕｋｅｓｈａ ＶＧＦ、ＶＨＰ、ＡＰＧ、２７５ＧＬ）を含むことができる。

【0015】

駆動式発電システム１０は、エンジン「ノック（ｋｎｏｃｋ）」及び／又はエンジン１２の他の運転特性を検出するのに適する１つ又は複数のノックセンサ３２を含むことができる。ノックセンサ３２は、爆発、早期点火、及び／又はピンギングによる振動等の、エンジン１２によって引起される振動を検知するように構成される任意のセンサであるとすることができる。ノックセンサ３２は、コントローラ、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ：ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）３４に通信可能に結合されて示される。動作中に、ノックセンサ３２からの信号は、ＥＣＵ３４に通信されて、ノッキング状態（例えば、ピンギング）又は他の挙動が存在するかどうかを判定する。ＥＣＵ３４は、その後、或るエンジン１２パラメータを調整して、望ましくない状態を改善又は回避することができる。例えば、ＥＣＵ３４は、点火タイミングを調整して、かつ／又は、ブースト圧を調整して、ノッキングを回避することができる。本明細書で更に述べるように、ノックセンサ３２は更に、ノッキングを超える他の振動、例えばピストンスラップを検出することができる。

【0016】

図２は、往復動エンジン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、円柱キャビティ４０（例えば、内径）を画定する内側環状壁３８を有する。ピストン２４は、軸方向軸又は方向４２、半径方向軸又は方向４４、及び円周方向軸又は方向４６によって画定することができる。ピストン２４は、上部部分４８（例えば、上部ランド）を含む。上部部分４８は、一般に燃料２０及び空気１８又は燃料−空気混合気が、ピストン２４の往復動運動中に燃焼チャンバ１４から逃げることを妨げる。

【0017】

図示するように、ピストン２４は、接続ロッド５２及びピン５４によってクランクシャフト５０に取付けられる。クランクシャフト５０は、ピストン２４の往復動直線運動を回転運動に変換する。先に論じたように、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、負荷３０（図１に示す）に動力供給する。図示するように、燃焼チャンバ１４は、ピストン２４の上部ランド４８に隣接して位置決めされる。燃料注入器５６は燃料２０を燃焼チャンバ１４に提供し、吸気弁５８は燃焼チャンバ１４への空気１８の送出を制御する。排気弁６０はエンジン１２からの排気ガスの放出を制御する。しかし、燃料２０及び空気１８を燃焼チャンバ１４に提供するための、及び／又は、排気ガスを放出するための任意の適した要素及び／又は技法を利用することができ、幾つかの実施形態において、燃料注入が全く使用されないことが理解されるべきである。動作時、燃焼チャンバ１４内での燃料２０と空気１８との燃焼は、ピストン２４が、シリンダ２６のキャビティ４０内で軸方向４２に往復動（例えば、前後）方式で移動するようにさせる。

【0018】

動作中、ピストン２４は、シリンダ２６内の最高点にあるとき、トップデッドセンタ（ＴＤＣ：ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）と呼ぶ位置にある。ピストン２４は、シリンダ２６内の最低点にあるとき、ボトムデッドセンタ（ＢＤＣ：ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）と呼ぶ位置にある。ピストン２４が上部から下部に又は下部から上部に移動するとき、クランクシャフト５０は１回転の半分回転する。上部から下部に又は下部から上部へのピストン２４のそれぞれの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、又はそれより多い数のストロークのエンジンを含むことができる。

【0019】

エンジン１２の動作中に、吸気プロセス、圧縮プロセス、動力供給プロセス、及び排気プロセスを含むシーケンスが通常起こる。吸気プロセスは、燃料及び空気等の可燃混合気がシリンダ２６内に引込まれることを可能にし、したがって、吸気弁５８が開口し、排気弁６０が閉鎖する。圧縮プロセスは、可燃混合気をより小さな空間内に圧縮するため、吸気弁５８及び排気弁６０は共に閉鎖する。動力供給プロセスは圧縮済みの燃料−空気混合気に点火し、動力供給プロセスは、スパークプラグシステムによるスパーク点火及び／又は圧縮熱による圧縮点火を含むことができる。燃焼からの結果得られる圧力は、その後、ピストン２４をＢＤＣに強制的に押しやる。排気プロセスは、通常、排気弁６０を開口したままにしながら、ピストン２４をＴＤＣに戻す。したがって、排気プロセスは、使用済みの燃料−空気混合気を、排気弁６０を通して排出する。２つ以上の吸気弁５８及び排気弁６０を、１つのシリンダ２６について使用することができることが留意される。

【0020】

エンジン１２はまた、クランクシャフトセンサ６２、１つ又は複数のノックセンサ３２、及びエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３４を含むことができ、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３４はプロセッサ６４及びメモリ６６（例えば、非一時的コンピュータ可読媒体）を含む。クランクシャフトセンサ６２は、クランクシャフト５０の位置及び／又は回転速度を検知する。したがって、クランク角度又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とき、タイミングは、クランクシャフト５０角度によってしばしば表現される。例えば、４ストロークエンジン１２の全サイクルを、７２０°サイクルとして測定することができる。１つ又は複数のノックセンサ３２は、圧電型加速度計、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、並びに／又は、振動、加速度、音、及び／又は移動を検知するように設計された任意の他のセンサであるとすることができる。他の実施形態において、センサ３２は、従来的な意味でのノックセンサではなく、振動、圧力、加速度、偏り、又は移動を検知することができる任意のセンサであるとすることができる。

【0021】

エンジン１２の打診的性質のせいで、ノックセンサ３２は、シリンダ２６の外部に搭載されているときでもシグネチャを検出することが可能である場合がある。１つ又は複数のノックセンサ３２は、エンジン１２上の多くの異なる場所に配設することができる。例えば、図２において、２つのノックセンサ３２が、すなわち、シリンダ２６のそれぞれの側に１つのノックセンサ３２が示される。他の実施形態において、１つのノックセンサ３２だけを、シリンダ２６の側面に使用することができる。ピストンスラップを最もよく検出するため、ノックセンサ３２は、シリンダ２６のスラスト側面に配設され、ピストン移動に垂直に配向することができる。更に他の実施形態において、ノックセンサ３２を、シリンダ２６のヘッド上に配設することができる。更に、幾つかの実施形態において、単一ノックセンサ３２が、例えば、１つ又は複数の隣接するシリンダ２６と共有される場合がある。他の実施形態において、各シリンダ２６は、シリンダ２６のいずれかの側面又は両側面に１つ又は複数のノックセンサ３２を含むことができる。クランクシャフトセンサ６２及びノックセンサ３２は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）３４と電気的につながった状態で示される。ＥＣＵ３４はプロセッサ６４及びメモリ６６を含む。メモリ６６は、プロセッサ６４が実行することができる非一時的コード又はコンピュータ命令を格納することができる。ＥＣＵ３４は、例えば、スパークのタイミング、弁５８、６０のタイミングを調整すること、燃料及び酸化剤（例えば、空気）の送出を調整すること等によって、エンジン１２の動作をモニターし制御する。

【0022】

エンジンノックは、正常な燃焼のエンベロープの外での燃料の早期燃焼である。幾つかの場合に、ＥＣＵ３４は、エンジンの動作パラメータを調整することによって、エンジンノックが起こるときにエンジンノックを低減又は回避することができる。例えば、ＥＣＵ３４は、エンジンノックを低減又は回避しようとして、空気／燃料混合気、点火タイミング、ブースト圧等を調整することができる。

【0023】

図３は、ピストンスラップを示すピストン組立体３６の一実施形態の側断面図である。ピストンスラップは、ピストン２４とシリンダ２６の内側環状壁３８との間に過剰の空間が存在するときに起こる。エンジンが所望に応じて動作している（すなわち、ピストンスラップがない）とき、ピストンは、往復動様式で円柱キャビティ４０内を垂直に真っすぐ上下に移動し、それにより、実際のピストン軸６８はシリンダ２６の軸方向軸４２に平行である。しかし、ピストン２４と内側環状壁３８との間の隙間が大き過ぎると、ピストン２４は、傾斜し、シリンダ２６の側面にこすり付け、シリンダ２６の一方の側面の内側環状壁３８にスラストを加える場合がある。燃焼による力はピストン２４を下に押すが、接続ロッド５２がシリンダの軸方向軸４２と一直線になっておらず、また、ピストン２４とシリンダ２６との間に更なる遊びが存在するため、ピストン２４は、一方の側面に傾斜し、それにより、実際のピストン軸６８は所望のピストン軸７０から或る角度７２だけずれる。ピストン２４がこすり付けるシリンダ２６の側面はスラスト面７４と呼ばれ、シリンダ２６の他の側面はアンチスラスト面７６と呼ばれる。ピストン２４のこの傾斜及びその後のシリンダ２６の一方の側面に対するこすり付けはピストンスラップとして知られる。

【0024】

図３に示すように、シリンダ２６のスラスト面７４上に搭載され、ピストン２４の移動の方向に垂直に配向するノックセンサ３２は、エンジンノックと同様の周波数及び振幅でピストンスラップを検出することができる。結果として、この構成で搭載されたノックセンサ３２及びＥＣＵ３４は、ピストンスラップを検出するが、それをエンジンノックと間違える場合がある。ＥＣＵ３４がピストンスラップをエンジンノックと間違えると、ＥＣＵ３４は、エンジンノックを回避するためエンジン１２の動作パラメータ（例えば、点火タイミング、ブースト圧等）を調整しようとする。こうした変更は、以前に起こっていなかったエンジンノックを誘発する、又はそうでなければ、エンジン１２が運転している方法を低下させる場合がある。これを回避するため、ＥＣＵ３４は、エンジンノックとピストンスラップとの間を識別し、それぞれに対して別個の反応を有するように構成することができる。例えば、ＥＣＵ３４は、エンジンに何か悪いことが起こっているかもしれないとユーザに警告することによってピストンスラップを検出することに対して反応することができる。一方、ＥＣＵ３４がエンジンノックを検出すると、ＥＣＵ３４は、エンジンの動作パラメータを調整することによってエンジンノックを回避しようと試みることができる。

【0025】

シリンダの側面上に配設されたノックセンサ３２によって取込まれるデータ８０のサンプルスペクトルプロット７８の一実施形態が図４に示される。スペクトルプロットの水平軸８２は周波数（ｋＨｚ単位）であり、垂直軸８４は振幅を示す。ピストン２４がシリンダ２６の側面にこすり付けることによってピストンスラップが引起されるため、こすることがシリンダ２６を励起し、シリンダ２６を、その基本周波数及び基本周波数の種々の高調波で共振させる。

【0026】

燃焼エンジンにおけるシリンダの基本周波数は、ドレーパの式を使用することによって、又は、実験的に見出される可能性がある。ドレーパの式は次の通りである。

【0027】

【数1】

ここで、ｆ_m,nはシリンダの共振周波数であり、ｎ_m,nは無次元モード数であり、ｃ₀は位相速度定数であり、Ｔは燃焼混合気の温度であり、Ｂはシリンダ内径であり、ｍ、ｎは半径方向及び円周方向モード数である。確定されると、シリンダ２６の基本周波数は、ＥＣＵ３４への入力として提供されるか又は予め決定され、メモリ６６上に格納されて、プロセッサ６４によって取得されるかつ／又は処理されることができる。

【0028】

ライン８６は、シリンダ２６の基本周波数、この特定の実施形態では約２７８３Ｈｚを示す。これが単に例であること、及び、基本周波数８６がシリンダ２６ごとに変化することになることが理解されるべきである。高調波は基本周波数８６の整数倍で起こる。例えば、この実施形態において、第２高調波周波数８８は約５５６６Ｈｚ又は基本周波数の２倍で起こる。同様に、第３高調波周波数９０は約８３５０Ｈｚで起こる、第４高調波周波数９２は約１１１３３Ｈｚで起こる、第５高調波周波数９４は約１３９１６Ｈｚで起こる、第６高調波周波数９６は約１６６９９Ｈｚで起こる、等である。再び、これらの値は例に過ぎず、本実施形態のシリンダ２６に固有である。基本周波数８６並びに種々の高調波８８、９０、９２、９４及び９６はシリンダ２６に応じて変動することになる。メモリ６６は、ピストンスラップ閾値を格納することができ、ピストンスラップ閾値は、未処理振幅値、パーセンテージ増加、又は何らかの他の値の形態とすることができる。ある周波数での振幅が閾値を超える場合、ピストンスラップが存在すると判定される。一方、エンジンノックは整数と非整数の両方で起こる場合がある。高調波比が増加するにつれてピストンスラップの振幅が減少し、エンジンノックの振幅が減少しない場合、ＥＣＵ３４は、高調波カウントが増加するにつれて振幅が減少するかどうかを判定することによって、基本周波数の整数倍でエンジンノックからピストンスラップを識別することができる。

【0029】

図５は、単一ノックセンサ３２を使用してエンジンノックからピストンスラップを識別するためのプロセス９８の一実施形態を示すフローチャートである。プロセス９８は、メモリ６６内に格納され、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又は実行可能コードとして実装することができる。ブロック１００にて、プロセス９８は、シリンダ２６の基本周波数を取得する（例えば、ユーザ又は別のデバイスから、メモリ６６からのアクセス、又は何らかの他の方法を受信する）。

【0030】

ブロック１０２にて、データのサンプルが、ノックセンサ３２を使用してサンプリングされる。例えば、１つ又は複数のノックセンサ３２は、データを収集し、その後、データをＥＣＵ３４に送信する。本実施形態において、単一ノックセンサ３２が、シリンダ２６のスラスト面７４上に搭載され、ピストン２４移動の方向に垂直に配向することができる。単一シリンダ２６上で２つのノックセンサ３２を使用する一実施形態は後で述べられる。

【0031】

ブロック１０４にて、プロセス９８は、シリンダ２６の基本周波数８６及びシリンダ２６の基本周波数８６の高調波周波数でピストンスラップを特定する。これは、メモリ６６上に格納されたルックアップテーブルを参照すること、及び、周波数の１つ又は複数の窓内の振幅をルックアップテーブルと比較することを伴う場合がある。ブロック１０４はまた、振幅が、メモリ６６内に格納されたピストンスラップ閾値を超えるかどうかを判定することを伴うことができる。ブロック１０４はまた、１つ又は複数のフィルタを信号に適用することを伴う場合がある。プロセス９８によって使用されるフィルタは、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、及び同様なものを含むことができる。シリンダ２６の高調波周波数は、シリンダ２６の基本周波数８６の倍数である。例えば、第２高調波周波数８８はシリンダ２６の基本周波数８６の２倍である。ブロック１０４にて、プロセス９８は、基本周波数８６並びに第２高調波周波数８８、第３高調波周波数９０、第４高調波周波数９２、第５高調波周波数９４、第６高調波周波数９６等を解析又は評価することができる。プロセス９８は、問題の周波数を囲む或る範囲の周波数を解析又は評価することができる。例えば、プロセス９８は、問題の周波数の±０．５％、±１％、±２％、又は±５％の範囲内の周波数を解析又は評価することができる。ブロック１０４は、振幅を、メモリ６６内に格納されるルックアップテーブル又はピストンスラップ閾値と比較することを含むことができる。

【0032】

意思決定１０６において、プロセス９８は、所与の周波数の振幅をメモリ６６内に格納される１つ又は複数のピストンスラップ閾値又はルックアップテーブルと比較する。ピストンスラップが存在する（例えば、振幅がピストンスラップ閾値を超える）とプロセス９８が判定する場合、プロセス９８は、ブロック１０８に移動し、ピストンスラップが起こっていることをユーザに警告する。ユーザは、独占的なエラーコード、ディスプレイ、音、又はオーディオ通知による、ディスプレイ上で、テキストによる、及び同様なものによる、を含むいくつかの異なる方法で警告される場合がある。幾つかの実施形態において、ＥＣＵは、ピストンスラップが過剰な損傷を引起す可能性を減少させる別の動作モード（例えば、安全運転モード）にシフトすることができる。ユーザは、その後、エンジン１２をシャットダウンするか否かを決定し、ピストンスラップを更に調査することができる。

【0033】

図６は、２つのノックセンサ３２を使用してエンジンノックからピストンスラップを識別するためのプロセス１１０の一実施形態を示すフローチャートである。しかし、３つ以上のノックセンサを利用することができることが理解されるべきである。プロセス１１０は、メモリ６６内に格納され、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又は実行可能コードとして実装することができる。ブロック１１２にて、プロセス１１０は、シリンダ２６の基本周波数を取得する（例えば、ユーザ又は別のデバイスから、メモリ６６からのアクセス、又は何らかの他の方法を受信する）。

【0034】

ブロック１１４にて、データのサンプルが、ノックセンサ３２を使用して取られる。例えば、ノックセンサ３２は、データを収集し、その後、データをＥＣＵ３４に送信する。本実施形態において、２つのノックセンサ３２が、単一シリンダ２６上に搭載される。１つのノックセンサ３２は、シリンダ２６のスラスト面７４上に搭載され、ピストン２４移動の方向に垂直に配向する。このノックセンサは、シリンダ２６上でのその配置のせいで、エンジンノックとピストンスラップの両方を検出することが可能である。第２のノックセンサ３２は、シリンダのアンチスラスト面７６上に配置され、エンジンノックを検出するだけである。

【0035】

ブロック１１６にて、シリンダ２６のアンチスラスト面７６上に搭載されたノックセンサ３２からの信号は、シリンダ２６のスラスト面７４上に搭載されたノックセンサ３２の信号から減算される。スラスト面７４上のノックセンサ３２がピストンスラップを検出し、アンチスラスト面７６上に搭載されたノックセンサ３２がピストンスラップを検出しないため、他方から一方を減算することは、ピストンスラップ信号をもたらす。しかし、他方から一方を減算することがクリーンなピストンスラップ信号をもたらすように、２つのノックセンサ３２からの信号を「クリーンアップ（ｃｌｅａｎ ｕｐ）」及び／又は平滑化するための何らかの信号前処理が必要とされる場合があることが理解されるべきである。

【0036】

意思決定１１８にて、ピストンスラップが存在しない場合、プロセス１１０は、ブロック１１４に戻り、より多くのデータをサンプリングする。ピストンスラップが存在する場合、プロセス１１０は、ブロック１２０に移動し、ピストンスラップが起こっていることをユーザに警告する。ユーザは、その後、エンジン１２をシャットダウンするか否かを決定し、ピストンスラップを更に調査することができる。ユーザは、独占的なエラーコード、ディスプレイ、音、又はオーディオ通知による、ディスプレイ上で、テキストによる、及び同様なものによる、を含むいくつかの異なる方法で警告される場合がある。幾つかの実施形態において、ＥＣＵは、ピストンスラップが過剰な損傷を引起す可能性を減少させる別の動作モード（例えば、安全運転モード）にシフトすることができる。

【0037】

開示される実施形態の技術的効果は、往復動デバイスにおいてピストンスラップからエンジンノックを識別するためのシステム及び方法を含み、そのシステム及び方法は、スラスト面及びアンチスラスト面を有するシリンダの基本周波数を取得すること、シリンダ上に搭載された第１のノックセンサから第１の信号を受信すること、及び、基本周波数及び基本周波数の１つ又は複数の高調波周波数における第１の信号の第１の複数の振幅がピストンスラップ閾値を超えるかどうかを評価することによってピストンスラップを特定することを含む。更に、開示される実施形態の技術的効果はまた、シリンダのアンチスラスト面上に配設された第２のノックセンサからデータを受信すること、及び、ピストンスラップ信号を導出するため第１のノックセンサの信号から第２のノックセンサ信号を減算することを更に含む。

【0038】

この書面による説明は、最良モードを含む本発明を開示するために、また同様に、任意のデバイス又はシステムを作り使用すること、及び、組込まれる任意の方法を実施することを含む、本発明を当業者が実施することを可能にするために例を使用する。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、当業者が思い付く他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の逐語的言語と異ならない構造的要素を有する場合、又は、特許請求の範囲の逐語的言語と非実質的相違を有する等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図される。

【符号の説明】

【0039】

１０ エンジン駆動式発電システム、駆動式発電システム、システム
１２ エンジン、燃焼エンジン、往復動エンジン、４ストロークエンジン
１４ 燃焼チャンバ
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、センサ
３４ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
３６ ピストン組立体
３８ 内側環状壁
４０ 円柱キャビティ、キャビティ
４２ 軸方向軸又は方向、軸方向、軸方向軸
４４ 半径方向軸又は方向
４６ 円周方向軸又は方向
４８ 上部部分、上部ランド
５０ クランクシャフト
５２ 接続ロッド
５４ ピン
５６ 燃料注入器
５８ 吸気弁、弁
６０ 排気弁、弁
６２ クランクシャフトセンサ
６４ プロセッサ
６６ メモリ
６８ 実際のピストン軸
７０ 所望のピストン軸
７２ 角度
７４ スラスト面
７６ アンチスラスト面
７８ サンプルスペクトルプロット、ノックセンサデータのスペクトルプロット
８０ データ
８２ 水平軸
８４ 垂直軸
８６ ライン、基本周波数
８８ 第２高調波周波数、高調波
９０ 第３高調波周波数、高調波
９２ 第４高調波周波数、高調波
９４ 第５高調波周波数、高調波
９６ 第６高調波周波数、高調波
９８ プロセス
１００ ブロック
１０２ ブロック
１０４ ブロック
１０６ 意思決定
１０８ ブロック
１１０ プロセス
１１２ ブロック
１１４ ブロック
１１６ ブロック
１１８ 意思決定
１２０ ブロック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】