内燃機関の燃焼診断装置及び内燃機関の制御装置
【課題】突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握しうる内燃機関の燃焼診断装置と、燃焼状態に応じた細やかな制御を行いうる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ガスエンジン１は、シリンダ２毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサ（筒内圧センサ２６）と、このノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ２毎のパワースペクトル（１０２，１０４）を算出するパワースペクトル算出部３２と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域におけるパワースペクトル（１０２，１０４）の部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出部３４と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいてガスエンジン１の各部を制御するコントローラ４０とを備える。
【解決手段】ガスエンジン１は、シリンダ２毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサ（筒内圧センサ２６）と、このノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ２毎のパワースペクトル（１０２，１０４）を算出するパワースペクトル算出部３２と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域におけるパワースペクトル（１０２，１０４）の部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出部３４と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいてガスエンジン１の各部を制御するコントローラ４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン等の内燃機関における異常燃焼の有無を判断する燃焼診断装置及び内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、安定的かつ効率的な運転を行うために、ノッキング等の異常燃焼を早期に検出し、適切なエンジン制御を行う必要がある。特に、高出力の内燃機関では、安定燃焼域が小さい傾向にあるから、燃焼状態に応じたエンジン制御を行うことが重要と考えられる。
【０００３】
従来から、内燃機関の燃焼診断の一手法として、ノッキング発生確率を示すシビアリティという指標を用いたものが知られている。
例えば、特許文献１には、ノッキングの度合いであるノック度をシリンダ毎に検出し、ノック度が所定ノック度を超える頻度である評価ノッキング頻度（シビアリティ）を算出して、この評価ノッキング頻度に基づいてガスエンジンを制御する制御装置が記載されている。この制御装置は、評価ノッキング頻度が所定の閾値を超えた場合に、ガス噴射量を減少させたり、パイロット燃料噴射時期を遅らせたりして、ノッキングの発生を防止するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シビアリティは、緩やかな燃焼状態の変化を捉えるのに適しているが、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を捉えることができない。特に、ガスエンジンは、燃料の性状の影響等を受けて突発的に大きなノッキングを起こす場合があるから、シビアリティを用いた燃焼診断では十分と言えない。
【０００６】
したがって、特許文献１のように評価ノッキング頻度（シビアリティ）を用いる場合、ガスエンジンの燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができない。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握しうる内燃機関の燃焼診断装置と、燃焼状態に応じた細やかな制御を行いうる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて内燃機関を制御するコントローラとを備えることを特徴とする。
なお、内燃機関で起こるノッキングの周波数は、シリンダのボア径と音速によって推定できることが知られており、本明細書ではこれを「ノッキング周波数」という。具体的には、ノッキング周波数＝ボア径／音速の関係が成立する。
【０００９】
この内燃機関の制御装置では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値を用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、安定した運転を行うことができる。また、狭い運転領域での安定運用が可能であるから、高出力・高効率な運転を維持できる。
【００１０】
上記内燃機関の制御装置において、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が第１閾値を超えた場合に内燃機関を停止してもよい。
【００１１】
このように、部分オーバーオール値が第１閾値を超えたシリンダが一つでもあれば内燃機関を停止することで、突発的に生じる大きなノッキングに応じて即座に内燃機関を停止して、安全を確保できる。
【００１２】
この場合、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げてもよい。
【００１３】
このように、部分オーバーオール値が第１閾値よりも小さい第２閾値を超えたシリンダ（すなわち、内燃機関全体を停止するまでもないが、ノッキングにつながりうる程度の比較的大きな振動が突発的に発生したシリンダ）について負荷を下げることで、該シリンダのノッキングの発生を抑制できる。これにより、より一層の安定運転を実現できる。
【００１４】
上記内燃機関の制御装置は、前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、前記コントローラは、前記部分オーバーオール値および前記シビアリティに基づいて内燃機関を制御してもよい。
【００１５】
このように部分オーバーオール値およびシビアリティに基づいて内燃機関を制御することで、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化および緩やかな燃焼状態の変化に応じてより細やかな制御が可能となる。
【００１６】
この場合、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが第３閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げてもよい。
【００１７】
このように、シビアリティが第３閾値を超えたシリンダ（すなわち、所定の強度を超える振動が頻発しているシリンダ）について負荷を下げることで、該シリンダのノッキングの発生を抑制できる。これにより、より一層の安定運転を実現できる。
【００１８】
上記内燃機関の制御装置において、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが前記第３閾値よりも小さい第４閾値を超えた場合に、そのシリンダの着火タイミングを遅らせてもよい。
【００１９】
このように、シビアリティが第３閾値よりも小さい第４閾値を超えたシリンダ（すなわち、所定の強度を超える振動がやや高い頻度で発生しているシリンダ）について着火タイミングを遅らせることで、負荷を下げることなく、該シリンダのノッキングの発生を抑制しつつ様子を見ることができる。
【００２０】
上記内燃機関の制御装置は、前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、前記コントローラは、前記シビアリティを前記部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御してもよい。
【００２１】
このようにシビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することで、ノック評価値という一つのパラメータのみによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化と緩やかな燃焼状態の変化との両方を把握して、燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができる。
【００２２】
上記内燃機関の制御装置において、ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの筒内圧であり、前記ノックセンサは、各シリンダの筒内圧を検出する筒内圧センサであってもよい。筒内圧センサは、各シリンダの筒内圧を直接検出してシリンダ内の燃焼状態を正確に把握して、より一層細やかな制御を行いたい場合に好適である。
あるいは、ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの振動レベルであり、前記ノックセンサは、各シリンダの振動レベルを検出する加速度センサであってもよい。加速度センサは、筒内圧センサに比べて安価であるから、上記内燃機関の制御装置を低コストで実現したい場合に好適である。
【００２３】
上記内燃機関の制御装置はガスエンジンに適用してもよい。
ガスエンジンは、燃料の性状の影響等を受けて突発的に大きなノッキングを起こす場合がある。この点、上記内燃機関の制御装置では、ノック強度の大きさが反映された部分オーバーオール値に基づいて内燃機関の制御を行うから、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に適切に対処して、高効率であり且つ安定した運転を実現できる。
【００２４】
本発明に係る内燃機関の燃焼診断装置は、シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて異常燃焼の有無をシリンダ毎に判定する異常燃焼判定手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
この内燃機関の燃焼診断装置では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値に基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値を用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、高効率であり且つ安定した運転を行うことができる。また、部分オーバーオール値に基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
【図２】筒内圧センサで計測した筒内圧とクランク角度との関係の一例を示すグラフである。
【図３】筒内圧センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】加速度センサで検出された振動レベルとクランク角度との関係の一例を示すグラフである。
【図５】加速度センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】第２実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
【図７】図６に示すガスエンジンにおける燃焼診断および各部制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】部分オーバーオール値ＰＯＡとシビアリティＳｅｖの経時変化の一例を示したグラフであり、（ａ）がサイクル毎の部分オーバーオール値を示し、（ｂ）が過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２９】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。図２は、筒内圧センサで計測した筒内圧とクランク角度との関係の一例を示すグラフである。図３は、筒内圧センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
以下、「内燃機関」の一例として副室式ガスエンジンを採り上げるが、本発明が他の形式のガスエンジンやディーゼルエンジンを含むあらゆる内燃機関に適用しうることは言うまでもない。なお、副室式ガスエンジンは、シリンダ内に設けられた主室とは別に設けた副室内で混合ガス燃料を着火し、副室から主室に向けて火炎を噴出することで、主室内の希薄混合ガス燃料を燃焼させる方式のガスエンジンをいう。
【００３０】
図１に示すように、ガスエンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２内に収納され往復運動するピストン３と、給気ポート４及び排気ポート５と、給気ポート４を開閉する給気弁と、排気ポート５を開閉する排気弁と、シリンダ２内の燃焼状態を判定する燃焼診断装置３０と、ガスエンジン１の各部を制御するコントローラ４０とを有する。
【００３１】
シリンダ２とピストン３上面とで囲まれた空間は主室６である。また、シリンダ２上方には、副室８が設けられており、主室６と副室８とは、複数個（例えば４〜１０個）の副室噴孔によって連通している。
【００３２】
主室６の上部には、主室６内の圧力（筒内圧）を計測する筒内圧センサ（「ノックセンサ」に相当）２６が設けられている。筒内圧センサ２６により検出された筒内圧Ｐは、後述する燃焼診断装置３０のパワースペクトル算出部３２に送られる。
またピストン３により回転駆動されるクランク軸１０には、クランク軸１０のクランク角度θを検出するクランク軸角度検出器２４が設けられている。クランク軸角度検出器２４により検出されたクランク角度θは、後述する燃焼診断装置３０のパワースペクトル算出部３２に送られる。
【００３３】
副室８の上部には、副室８内の混合気を火花点火するための着火装置としての点火プラグ９が設けられている。また副室８内には、副室ガス供給通路（点火用補助ガス通路）１１を介して燃料ガスが供給されるようになっている。
【００３４】
給気ポート４には、主室ガス供給弁２２が介装された燃料ガス供給管が接続されており、不図示の過給機から供給された空気と主室ガス供給弁２２を通過した燃料ガスとが給気ポート４内で混合され、希薄混合気となった気体が主室６内に給気されるようになっている。なお、図１に示すように、吸気ポート４に接続された燃料ガス供給管に主室ガス圧力調整弁２３を設け、吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を調整してもよい。
一方、副室ガス供給通路１１には、副室ガス供給弁２０が介装された燃料ガス供給管が接続されており、副室ガス供給弁２０を通過した燃料ガスが副室ガス供給通路１１を介して副室８内に供給されるようになっている。なお、図１に示すように、副室ガス供給通路１１に接続された燃料ガス供給管に副室ガス圧力調整弁２１を設け、副室８に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を調節してもよい。
【００３５】
燃焼診断装置３０は、パワースペクトル算出部３２、ＰＯＡ算出部３４および異常燃焼判定部３６により構成される。燃焼診断装置３０の各部の働きは、次のとおりである。
【００３６】
パワースペクトル算出部３２は、筒内圧センサ２６で計測された筒内圧Ｐと、クランク軸角度検出器２４で検出されたクランク角度θを受け取って、筒内圧Ｐとクランク角度θとの関係から周波数解析により筒内圧パワースペクトルを取得する。
具体的には、図２に示す筒内圧Ｐとクランク角度θとの関係を示す筒内圧波形１００を求め、この筒内圧波形１００を任意のタイムウインドウΔθで周波数解析（ＦＦＴ分析）し、筒内圧パワースペクトル１０２（図３参照）を算出する。タイムウインドウΔθは、上死点付近の任意の範囲に設定可能であり、例えば、上死点から４０度のクランク角度θの範囲であってもよい。
【００３７】
ＰＯＡ算出部３４は、パワースペクトル算出部３２により得られた筒内圧パワースペクトル１０２からノック強度の大きさを表す部分オーバーオール値（以下、「筒内圧ＰＯＡ」と称する。）を求める。すなわち、ＰＯＡ算出部３４は、ノッキング周波数を含む任意の周波数帯域Δνにおける筒内圧パワースペクトル１０２の筒内圧ＰＯＡを算出する。このときに用いる周波数帯域Δνは、例えば、ノッキング周波数±５００Ｈｚであってもよい。
ここで、ノッキング周波数はシリンダのボア径と音速によって推定でき、ノッキング周波数＝ボア径／音速で求まる。また、筒内圧ＰＯＡは、周波数帯域Δνにおける筒内圧パワースペクトル１０２の二乗平均値であり、ノック強度を反映したものである。
【００３８】
異常燃焼判定部３６は、ＰＯＡ算出部３４によって求めた筒内圧ＰＯＡに基づいてシリンダ２の異常燃焼の有無を判定する。
例えば、筒内圧ＰＯＡが第１閾値（＞第２閾値）を超えている場合には、ガスエンジン１の運転停止が必要な程度の大きな強度の振動が発生していると判断する。筒内圧ＰＯＡが第２閾値を超えている場合には、ガスエンジン１の運転を停止する必要はないものの、何らかの対策が必要な程度の振動が発生していると判断する。
なお、異常燃焼判定部３６による異常燃焼の有無はサイクル毎に判定する。また、シリンダ２が複数ある場合には、各シリンダ２毎に異常燃焼の有無を判定する。
【００３９】
この異常燃焼判定部３６の判定結果に基づいて、コントローラ４０はガスエンジン１の各部を制御し、必要に応じて、ガスエンジン１の運転を停止したり、シリンダ２の負荷を下げたり、点火プラグ９の点火タイミングを遅らせたりする。
【００４０】
上記構成のガスエンジン１では、筒内圧センサ２６で検出された筒内圧Ｐからパワースペクトル算出部３２によって筒内圧パワースペクトル１０２を求め、この筒内圧パワースペクトル１０２の筒内圧ＰＯＡをＰＯＡ算出部３４によって算出する。このようにして得られる筒内圧ＰＯＡには、ノック強度の大きさが反映される。したがって、筒内圧ＰＯＡに基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。また、筒内圧ＰＯＡを用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、安定した運転を行うことができる。また、狭い運転領域での安定運用が可能であるから、高出力・高効率な運転を維持できる。
【００４１】
なお、本実施形態では、シリンダ２の筒内圧Ｐを検出する筒内圧センサ２６を用いる例を示したが、シリンダ２毎のノック強度と相関のある物理量を検出する任意のノックセンサを用いてもよい。例えば、筒内圧センサ２６に替えてシリンダ２の振動レベルを検出する加速度センサを用いて、次のように、加速度センサの検出信号から求めた振動レベルスペクトルの部分オーバーオール値（以下、「振動レベルＰＯＡ」と称する。）に基づいて異常燃焼を判定してもよい。
【００４２】
図４は、加速度センサで検出された振動レベルとクランク角度θとの関係の一例を示すグラフである。図５は、加速度センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
パワースペクトル算出部３２において、図４に示す振動レベル波形１０４を任意のタイムウインドウΔθで周波数解析（ＦＦＴ分析）し、振動レベルパワースペクトル１０６（図５参照）を算出する。このとき、タイムウインドウΔθを適切な範囲に設定することで、計測対象であるシリンダ２の振動レベルだけを抽出して、他のシリンダ２の振動の影響を排除した振動レベルパワースペクトル１０６を各シリンダ２について取得できる。この振動レベルパワースペクトル１０６の周波数帯域Δνにおける振動レベルＰＯＡをＰＯＡ算出部３４によって求める。このようにして得られた振動レベルＰＯＡは、筒内圧パワースペクトル１０２から求めた部分オーバーオール値（筒内圧ＰＯＡ）と同様にシリンダ２のノック強度を反映したものであり、異常燃焼判定部３６における燃焼状態の診断に用いることができる。
【００４３】
なお、加速度センサは、シリンダ２のノック強度と相関のある振動レベルを検出可能であればシリンダ２又はシリンダヘッドの任意の位置に設けてもよい。例えば、シリンダ２にシリンダヘッドを取り付けるためのヘッドボルト上、シリンダヘッドの側面又は上面に加速度センサを設けてもよい。なかでも、ヘッドボルト上は、シリンダヘッドの内部構造（冷却水通路等）による影響を受けずに、シリンダ２の燃焼状態と相関の強い振動レベルを検出可能であることが経験的に分かっており、加速度センサを設ける位置として好適である。
【００４４】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
なお、本実施形態に係るガスエンジンは、ＰＯＡ算出部で求めたサイクル毎の部分オーバーオール値ＰＯＡと、シビアリティとを併用して燃焼状態を診断するようにした点を除けば、上述のガスエンジン１と同様である。したがって、ここではガスエンジン１と異なる点を中心に説明し、ガスエンジン１と共通する部分には図１と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
図６に示すガスエンジン５０の燃焼診断装置３０は、シビアリティ算出部３８を有する。シビアリティ算出部３８は、ＰＯＡ算出部３４で算出した部分オーバーオール値ＰＯＡ（筒内圧ＰＯＡ又は振動レベルＰＯＡ）が所定の閾値を超えた頻度であるシビアリティＳｅｖを算出する。シビアリティＳｅｖは、部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度を示す指標であり、具体的には、過去Ｎサイクル中、部分オーバーオール値が所定の閾値を超えたサイクル数をｎ回とすると以下の式（１）で表される。
[数１]
シビアリティ（％）＝ｎ／Ｎ×１００ （１）
【００４６】
異常燃焼判定部３６は、ＰＯＡ算出部３４により取得した現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡと、シビアリティ算出部３８により取得した過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖとに基づいてシリンダ２の燃焼状態を診断する。そして、異常燃焼判定部３６の判定結果に基づいて、コントローラ４０がガスエンジン５０の各部を制御する。
【００４７】
ここで、ガスエンジン５０における燃焼診断装置３０による燃焼診断およびコントローラ４０による各部制御の手順について説明する。図７は、ガスエンジン５０における燃焼診断および各部制御の手順を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、ステップＳ２において、ＰＯＡ算出部３４によって部分オーバーオール値ＰＯＡ（筒内圧ＰＯＡ又は振動レベルＰＯＡ）を算出し、シビアリティ算出部３８によって過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを算出する。
図８は、部分オーバーオール値ＰＯＡとシビアリティＳｅｖの経時変化の一例を示したグラフであり、図８（ａ）がサイクル毎の部分オーバーオール値を示し、図８（ｂ）が過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを示している。
【００４９】
ステップＳ４では、現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡが第１閾値（図８（ａ）の閾値Ａ。以下、閾値Ａと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５０】
そして、いずれかのシリンダ２に関する部分オーバーオール値が閾値Ａを超えている場合（ステップＳ４のＹＥＳ判定）、ステップＳ５に進んでガスエンジン１の運転を停止する。
一方、いずれのシリンダ２についても部分オーバーオール値ＰＯＡが閾値Ａ以下である場合（ステップＳ４のＮＯ判定）、ステップＳ６に進んで、現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡが第２閾値（図８（ａ）の閾値Ｂ（＜閾値Ａ）。以下、閾値Ｂと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
なお、ステップＳ４及び６で用いる閾値Ａ及びＢは、シビアリティＳｅｖを算出する際に用いる閾値（「所定の閾値」に相当。）よりも大きく設定されている。
【００５１】
そして、いずれかのシリンダ２に関する部分オーバーオール値が閾値Ｂを超えている場合（ステップＳ６のＹＥＳ判定）、ステップＳ７に進んでそのシリンダ２の負荷を下げた後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、主室ガス圧力調整弁２３が吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を低減し、シリンダ２の負荷を下げる。なお、シリンダ２の負荷の下げ代（例えば１０〜２０％）や下げ速度は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についても部分オーバーオール値が閾値Ｂ以下である場合（ステップＳ６のＮＯ判定）、ステップＳ８に進んで過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖが第３閾値（図８（ｂ）の閾値Ｃ。以下、閾値Ｃと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５２】
ステップＳ８において、いずれかのシリンダ２に関するシビアリティＳｅｖが閾値Ｃよりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ９に進んでそのシリンダ２の負荷を下げた後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、主室ガス圧力調整弁２３が吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を低減し、シリンダ２の負荷を下げる。なお、シリンダ２の負荷の下げ代（例えば１０〜２０％）や下げ速度は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についてもシビアリティＳｅｖが閾値Ｃ以下である場合（ステップＳ８のＮＯ判定）、ステップ１０に進んで過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖが第４閾値（図８（ｂ）の閾値Ｄ（＜閾値Ｃ）。以下、閾値Ｄと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５３】
ステップＳ１０において、いずれかのシリンダ２に関するシビアリティＳｅｖが閾値Ｄよりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１１に進んでそのシリンダ２についてタイミングリタード（着火タイミングを遅らせること）を行った後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、点火プラグ９の点火タイミングを遅らせて、タイミングリタードを行う。なお、着火タイミングのリタード量（例えばクランク角度換算で２度）は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についてもシビアリティＳｅｖが閾値Ｄ以下である場合（ステップＳ１０のＮＯ判定）、ステップＳ１２に進んで、各シリンダ２の負荷及び着火タイミングが初期設定と異なるか否かを判断する。
【００５４】
いずれかのシリンダ２の負荷及び着火タイミングの少なくとも一方が初期設定と異なる場合（ステップＳ１２のＹＥＳ判定）、ステップＳ１３に進んで、そのシリンダ２の負荷又は着火タイミングを変更してから所定期間Ｘを経過したか否かを判断する。そして、ステップＳ１３において所定期間Ｘを経過していると判断された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１４に進んで、そのシリンダ２の負荷又は着火タイミングを初期設定に戻した後、ステップＳ２に戻る。このとき、負荷又は着火タイミングの初期設定への戻し速度は任意に決定可能である。
【００５５】
一方、ステップＳ１２において、いずれのシリンダ２の負荷及び着火タイミングも初期設定と同一である場合（ＮＯ判定）、ステップＳ２に戻る。同様に、ステップＳ１３において所定期間Ｘを経過していないと判定された場合（ＮＯ判定）、ステップＳ２に戻る。
【００５６】
このような手順で燃焼診断およびガスエンジン１各部の制御を行うことで、突発的に非常に大きい強度のノッキングが発生した時点で（すなわちＰＯＡ＞閾値Ａの場合）、ガスエンジン１の運転を即座に停止して安全を確保できる。また、いずれかのシリンダ２について、比較的大きな強度の振動が突発的に発生した時点（すなわちＰＯＡ＞閾値Ｂの場合）、あるいは、所定の強度を超える振動が頻発した（すなわちＳｅｖ＞閾値Ｃの場合）、そのシリンダ２の負荷を下げて安定した運転を行うことができる。さらに、比較的大きな強度の振動がやや高い頻度で発生した場合（すなわちＳｅｖ＞閾値Ｄの場合）、そのシリンダ２の着火タイミングを遅らせて、負荷を下げることなく、該シリンダ２のノッキングの発生を抑制しつつ様子を見ることができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、部分オーバーオール値ＰＯＡおよびシビアリティＳｅｖという二つのパラメータを指標として燃焼状態を判定する例について説明したが、シビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて異常燃焼の有無を判定するようにしてもよい。例えば、以下の式（２）で表されるノック評価値を用いてもよい。
[数２]
（ただし、ｉ＝１、２、…、Ｎであり、（ＰＯＡ）iはｉサイクル目の部分オーバーオール値であり、Ｘiは（ＰＯＡ）iが所定の閾値を超えた場合は１、そうでない場合はゼロである。）
シビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することで、ノック評価値という一つのパラメータのみによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化と緩やかな燃焼状態の変化との両方を把握して、燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１ ガスエンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 主室
８ 副室
９ 点火プラグ
１０ クランク軸
１１ 副室ガス供給通路
２０ 副室ガス供給弁
２１ 副室ガス圧力調整弁
２２ 主室ガス供給弁
２３ 主室ガス圧力調整弁
２４ クランク軸角度検出器
２６ 筒内圧センサ
３０ 燃焼診断装置
３２ パワースペクトル算出部
３４ ＰＯＡ算出部
３６ 異常燃焼判定部
３８ シビアリティ算出部
４０ コントローラ
１００ 筒内圧波形
１０２ 筒内圧パワースペクトル
１０４ 振動レベル波形
１０６ 振動レベルパワースペクトル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン等の内燃機関における異常燃焼の有無を判断する燃焼診断装置及び内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、安定的かつ効率的な運転を行うために、ノッキング等の異常燃焼を早期に検出し、適切なエンジン制御を行う必要がある。特に、高出力の内燃機関では、安定燃焼域が小さい傾向にあるから、燃焼状態に応じたエンジン制御を行うことが重要と考えられる。
【０００３】
従来から、内燃機関の燃焼診断の一手法として、ノッキング発生確率を示すシビアリティという指標を用いたものが知られている。
例えば、特許文献１には、ノッキングの度合いであるノック度をシリンダ毎に検出し、ノック度が所定ノック度を超える頻度である評価ノッキング頻度（シビアリティ）を算出して、この評価ノッキング頻度に基づいてガスエンジンを制御する制御装置が記載されている。この制御装置は、評価ノッキング頻度が所定の閾値を超えた場合に、ガス噴射量を減少させたり、パイロット燃料噴射時期を遅らせたりして、ノッキングの発生を防止するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４７５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シビアリティは、緩やかな燃焼状態の変化を捉えるのに適しているが、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を捉えることができない。特に、ガスエンジンは、燃料の性状の影響等を受けて突発的に大きなノッキングを起こす場合があるから、シビアリティを用いた燃焼診断では十分と言えない。
【０００６】
したがって、特許文献１のように評価ノッキング頻度（シビアリティ）を用いる場合、ガスエンジンの燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができない。
【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握しうる内燃機関の燃焼診断装置と、燃焼状態に応じた細やかな制御を行いうる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて内燃機関を制御するコントローラとを備えることを特徴とする。
なお、内燃機関で起こるノッキングの周波数は、シリンダのボア径と音速によって推定できることが知られており、本明細書ではこれを「ノッキング周波数」という。具体的には、ノッキング周波数＝ボア径／音速の関係が成立する。
【０００９】
この内燃機関の制御装置では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値を用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、安定した運転を行うことができる。また、狭い運転領域での安定運用が可能であるから、高出力・高効率な運転を維持できる。
【００１０】
上記内燃機関の制御装置において、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が第１閾値を超えた場合に内燃機関を停止してもよい。
【００１１】
このように、部分オーバーオール値が第１閾値を超えたシリンダが一つでもあれば内燃機関を停止することで、突発的に生じる大きなノッキングに応じて即座に内燃機関を停止して、安全を確保できる。
【００１２】
この場合、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げてもよい。
【００１３】
このように、部分オーバーオール値が第１閾値よりも小さい第２閾値を超えたシリンダ（すなわち、内燃機関全体を停止するまでもないが、ノッキングにつながりうる程度の比較的大きな振動が突発的に発生したシリンダ）について負荷を下げることで、該シリンダのノッキングの発生を抑制できる。これにより、より一層の安定運転を実現できる。
【００１４】
上記内燃機関の制御装置は、前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、前記コントローラは、前記部分オーバーオール値および前記シビアリティに基づいて内燃機関を制御してもよい。
【００１５】
このように部分オーバーオール値およびシビアリティに基づいて内燃機関を制御することで、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化および緩やかな燃焼状態の変化に応じてより細やかな制御が可能となる。
【００１６】
この場合、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが第３閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げてもよい。
【００１７】
このように、シビアリティが第３閾値を超えたシリンダ（すなわち、所定の強度を超える振動が頻発しているシリンダ）について負荷を下げることで、該シリンダのノッキングの発生を抑制できる。これにより、より一層の安定運転を実現できる。
【００１８】
上記内燃機関の制御装置において、前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが前記第３閾値よりも小さい第４閾値を超えた場合に、そのシリンダの着火タイミングを遅らせてもよい。
【００１９】
このように、シビアリティが第３閾値よりも小さい第４閾値を超えたシリンダ（すなわち、所定の強度を超える振動がやや高い頻度で発生しているシリンダ）について着火タイミングを遅らせることで、負荷を下げることなく、該シリンダのノッキングの発生を抑制しつつ様子を見ることができる。
【００２０】
上記内燃機関の制御装置は、前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、前記コントローラは、前記シビアリティを前記部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御してもよい。
【００２１】
このようにシビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することで、ノック評価値という一つのパラメータのみによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化と緩やかな燃焼状態の変化との両方を把握して、燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができる。
【００２２】
上記内燃機関の制御装置において、ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの筒内圧であり、前記ノックセンサは、各シリンダの筒内圧を検出する筒内圧センサであってもよい。筒内圧センサは、各シリンダの筒内圧を直接検出してシリンダ内の燃焼状態を正確に把握して、より一層細やかな制御を行いたい場合に好適である。
あるいは、ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの振動レベルであり、前記ノックセンサは、各シリンダの振動レベルを検出する加速度センサであってもよい。加速度センサは、筒内圧センサに比べて安価であるから、上記内燃機関の制御装置を低コストで実現したい場合に好適である。
【００２３】
上記内燃機関の制御装置はガスエンジンに適用してもよい。
ガスエンジンは、燃料の性状の影響等を受けて突発的に大きなノッキングを起こす場合がある。この点、上記内燃機関の制御装置では、ノック強度の大きさが反映された部分オーバーオール値に基づいて内燃機関の制御を行うから、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に適切に対処して、高効率であり且つ安定した運転を実現できる。
【００２４】
本発明に係る内燃機関の燃焼診断装置は、シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて異常燃焼の有無をシリンダ毎に判定する異常燃焼判定手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
この内燃機関の燃焼診断装置では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値に基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、ノックセンサで検出されたノック強度と相関のある物理量からパワースペクトル算出手段によってパワースペクトルを求め、このパワースペクトルの部分オーバーオール値をＰＯＡ算出手段によって算出する。このようにして得られる部分オーバーオール値には、ノック強度の大きさが反映される。したがって、部分オーバーオール値を用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、高効率であり且つ安定した運転を行うことができる。また、部分オーバーオール値に基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
【図２】筒内圧センサで計測した筒内圧とクランク角度との関係の一例を示すグラフである。
【図３】筒内圧センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図４】加速度センサで検出された振動レベルとクランク角度との関係の一例を示すグラフである。
【図５】加速度センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】第２実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
【図７】図６に示すガスエンジンにおける燃焼診断および各部制御の手順を示すフローチャートである。
【図８】部分オーバーオール値ＰＯＡとシビアリティＳｅｖの経時変化の一例を示したグラフであり、（ａ）がサイクル毎の部分オーバーオール値を示し、（ｂ）が過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２９】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。図２は、筒内圧センサで計測した筒内圧とクランク角度との関係の一例を示すグラフである。図３は、筒内圧センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
以下、「内燃機関」の一例として副室式ガスエンジンを採り上げるが、本発明が他の形式のガスエンジンやディーゼルエンジンを含むあらゆる内燃機関に適用しうることは言うまでもない。なお、副室式ガスエンジンは、シリンダ内に設けられた主室とは別に設けた副室内で混合ガス燃料を着火し、副室から主室に向けて火炎を噴出することで、主室内の希薄混合ガス燃料を燃焼させる方式のガスエンジンをいう。
【００３０】
図１に示すように、ガスエンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２内に収納され往復運動するピストン３と、給気ポート４及び排気ポート５と、給気ポート４を開閉する給気弁と、排気ポート５を開閉する排気弁と、シリンダ２内の燃焼状態を判定する燃焼診断装置３０と、ガスエンジン１の各部を制御するコントローラ４０とを有する。
【００３１】
シリンダ２とピストン３上面とで囲まれた空間は主室６である。また、シリンダ２上方には、副室８が設けられており、主室６と副室８とは、複数個（例えば４〜１０個）の副室噴孔によって連通している。
【００３２】
主室６の上部には、主室６内の圧力（筒内圧）を計測する筒内圧センサ（「ノックセンサ」に相当）２６が設けられている。筒内圧センサ２６により検出された筒内圧Ｐは、後述する燃焼診断装置３０のパワースペクトル算出部３２に送られる。
またピストン３により回転駆動されるクランク軸１０には、クランク軸１０のクランク角度θを検出するクランク軸角度検出器２４が設けられている。クランク軸角度検出器２４により検出されたクランク角度θは、後述する燃焼診断装置３０のパワースペクトル算出部３２に送られる。
【００３３】
副室８の上部には、副室８内の混合気を火花点火するための着火装置としての点火プラグ９が設けられている。また副室８内には、副室ガス供給通路（点火用補助ガス通路）１１を介して燃料ガスが供給されるようになっている。
【００３４】
給気ポート４には、主室ガス供給弁２２が介装された燃料ガス供給管が接続されており、不図示の過給機から供給された空気と主室ガス供給弁２２を通過した燃料ガスとが給気ポート４内で混合され、希薄混合気となった気体が主室６内に給気されるようになっている。なお、図１に示すように、吸気ポート４に接続された燃料ガス供給管に主室ガス圧力調整弁２３を設け、吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を調整してもよい。
一方、副室ガス供給通路１１には、副室ガス供給弁２０が介装された燃料ガス供給管が接続されており、副室ガス供給弁２０を通過した燃料ガスが副室ガス供給通路１１を介して副室８内に供給されるようになっている。なお、図１に示すように、副室ガス供給通路１１に接続された燃料ガス供給管に副室ガス圧力調整弁２１を設け、副室８に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を調節してもよい。
【００３５】
燃焼診断装置３０は、パワースペクトル算出部３２、ＰＯＡ算出部３４および異常燃焼判定部３６により構成される。燃焼診断装置３０の各部の働きは、次のとおりである。
【００３６】
パワースペクトル算出部３２は、筒内圧センサ２６で計測された筒内圧Ｐと、クランク軸角度検出器２４で検出されたクランク角度θを受け取って、筒内圧Ｐとクランク角度θとの関係から周波数解析により筒内圧パワースペクトルを取得する。
具体的には、図２に示す筒内圧Ｐとクランク角度θとの関係を示す筒内圧波形１００を求め、この筒内圧波形１００を任意のタイムウインドウΔθで周波数解析（ＦＦＴ分析）し、筒内圧パワースペクトル１０２（図３参照）を算出する。タイムウインドウΔθは、上死点付近の任意の範囲に設定可能であり、例えば、上死点から４０度のクランク角度θの範囲であってもよい。
【００３７】
ＰＯＡ算出部３４は、パワースペクトル算出部３２により得られた筒内圧パワースペクトル１０２からノック強度の大きさを表す部分オーバーオール値（以下、「筒内圧ＰＯＡ」と称する。）を求める。すなわち、ＰＯＡ算出部３４は、ノッキング周波数を含む任意の周波数帯域Δνにおける筒内圧パワースペクトル１０２の筒内圧ＰＯＡを算出する。このときに用いる周波数帯域Δνは、例えば、ノッキング周波数±５００Ｈｚであってもよい。
ここで、ノッキング周波数はシリンダのボア径と音速によって推定でき、ノッキング周波数＝ボア径／音速で求まる。また、筒内圧ＰＯＡは、周波数帯域Δνにおける筒内圧パワースペクトル１０２の二乗平均値であり、ノック強度を反映したものである。
【００３８】
異常燃焼判定部３６は、ＰＯＡ算出部３４によって求めた筒内圧ＰＯＡに基づいてシリンダ２の異常燃焼の有無を判定する。
例えば、筒内圧ＰＯＡが第１閾値（＞第２閾値）を超えている場合には、ガスエンジン１の運転停止が必要な程度の大きな強度の振動が発生していると判断する。筒内圧ＰＯＡが第２閾値を超えている場合には、ガスエンジン１の運転を停止する必要はないものの、何らかの対策が必要な程度の振動が発生していると判断する。
なお、異常燃焼判定部３６による異常燃焼の有無はサイクル毎に判定する。また、シリンダ２が複数ある場合には、各シリンダ２毎に異常燃焼の有無を判定する。
【００３９】
この異常燃焼判定部３６の判定結果に基づいて、コントローラ４０はガスエンジン１の各部を制御し、必要に応じて、ガスエンジン１の運転を停止したり、シリンダ２の負荷を下げたり、点火プラグ９の点火タイミングを遅らせたりする。
【００４０】
上記構成のガスエンジン１では、筒内圧センサ２６で検出された筒内圧Ｐからパワースペクトル算出部３２によって筒内圧パワースペクトル１０２を求め、この筒内圧パワースペクトル１０２の筒内圧ＰＯＡをＰＯＡ算出部３４によって算出する。このようにして得られる筒内圧ＰＯＡには、ノック強度の大きさが反映される。したがって、筒内圧ＰＯＡに基づく異常燃焼の判定によって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化を把握することができる。また、筒内圧ＰＯＡを用いることによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化に応じて細やかな制御が可能となり、安定した運転を行うことができる。また、狭い運転領域での安定運用が可能であるから、高出力・高効率な運転を維持できる。
【００４１】
なお、本実施形態では、シリンダ２の筒内圧Ｐを検出する筒内圧センサ２６を用いる例を示したが、シリンダ２毎のノック強度と相関のある物理量を検出する任意のノックセンサを用いてもよい。例えば、筒内圧センサ２６に替えてシリンダ２の振動レベルを検出する加速度センサを用いて、次のように、加速度センサの検出信号から求めた振動レベルスペクトルの部分オーバーオール値（以下、「振動レベルＰＯＡ」と称する。）に基づいて異常燃焼を判定してもよい。
【００４２】
図４は、加速度センサで検出された振動レベルとクランク角度θとの関係の一例を示すグラフである。図５は、加速度センサの検出結果から得られるパワースペクトルの一例を示すグラフである。
パワースペクトル算出部３２において、図４に示す振動レベル波形１０４を任意のタイムウインドウΔθで周波数解析（ＦＦＴ分析）し、振動レベルパワースペクトル１０６（図５参照）を算出する。このとき、タイムウインドウΔθを適切な範囲に設定することで、計測対象であるシリンダ２の振動レベルだけを抽出して、他のシリンダ２の振動の影響を排除した振動レベルパワースペクトル１０６を各シリンダ２について取得できる。この振動レベルパワースペクトル１０６の周波数帯域Δνにおける振動レベルＰＯＡをＰＯＡ算出部３４によって求める。このようにして得られた振動レベルＰＯＡは、筒内圧パワースペクトル１０２から求めた部分オーバーオール値（筒内圧ＰＯＡ）と同様にシリンダ２のノック強度を反映したものであり、異常燃焼判定部３６における燃焼状態の診断に用いることができる。
【００４３】
なお、加速度センサは、シリンダ２のノック強度と相関のある振動レベルを検出可能であればシリンダ２又はシリンダヘッドの任意の位置に設けてもよい。例えば、シリンダ２にシリンダヘッドを取り付けるためのヘッドボルト上、シリンダヘッドの側面又は上面に加速度センサを設けてもよい。なかでも、ヘッドボルト上は、シリンダヘッドの内部構造（冷却水通路等）による影響を受けずに、シリンダ２の燃焼状態と相関の強い振動レベルを検出可能であることが経験的に分かっており、加速度センサを設ける位置として好適である。
【００４４】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係るガスエンジンの構成例を示す図である。
なお、本実施形態に係るガスエンジンは、ＰＯＡ算出部で求めたサイクル毎の部分オーバーオール値ＰＯＡと、シビアリティとを併用して燃焼状態を診断するようにした点を除けば、上述のガスエンジン１と同様である。したがって、ここではガスエンジン１と異なる点を中心に説明し、ガスエンジン１と共通する部分には図１と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４５】
図６に示すガスエンジン５０の燃焼診断装置３０は、シビアリティ算出部３８を有する。シビアリティ算出部３８は、ＰＯＡ算出部３４で算出した部分オーバーオール値ＰＯＡ（筒内圧ＰＯＡ又は振動レベルＰＯＡ）が所定の閾値を超えた頻度であるシビアリティＳｅｖを算出する。シビアリティＳｅｖは、部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度を示す指標であり、具体的には、過去Ｎサイクル中、部分オーバーオール値が所定の閾値を超えたサイクル数をｎ回とすると以下の式（１）で表される。
[数１]
シビアリティ（％）＝ｎ／Ｎ×１００ （１）
【００４６】
異常燃焼判定部３６は、ＰＯＡ算出部３４により取得した現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡと、シビアリティ算出部３８により取得した過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖとに基づいてシリンダ２の燃焼状態を診断する。そして、異常燃焼判定部３６の判定結果に基づいて、コントローラ４０がガスエンジン５０の各部を制御する。
【００４７】
ここで、ガスエンジン５０における燃焼診断装置３０による燃焼診断およびコントローラ４０による各部制御の手順について説明する。図７は、ガスエンジン５０における燃焼診断および各部制御の手順を示すフローチャートである。
【００４８】
まず、ステップＳ２において、ＰＯＡ算出部３４によって部分オーバーオール値ＰＯＡ（筒内圧ＰＯＡ又は振動レベルＰＯＡ）を算出し、シビアリティ算出部３８によって過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを算出する。
図８は、部分オーバーオール値ＰＯＡとシビアリティＳｅｖの経時変化の一例を示したグラフであり、図８（ａ）がサイクル毎の部分オーバーオール値を示し、図８（ｂ）が過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖを示している。
【００４９】
ステップＳ４では、現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡが第１閾値（図８（ａ）の閾値Ａ。以下、閾値Ａと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５０】
そして、いずれかのシリンダ２に関する部分オーバーオール値が閾値Ａを超えている場合（ステップＳ４のＹＥＳ判定）、ステップＳ５に進んでガスエンジン１の運転を停止する。
一方、いずれのシリンダ２についても部分オーバーオール値ＰＯＡが閾値Ａ以下である場合（ステップＳ４のＮＯ判定）、ステップＳ６に進んで、現サイクルの部分オーバーオール値ＰＯＡが第２閾値（図８（ａ）の閾値Ｂ（＜閾値Ａ）。以下、閾値Ｂと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
なお、ステップＳ４及び６で用いる閾値Ａ及びＢは、シビアリティＳｅｖを算出する際に用いる閾値（「所定の閾値」に相当。）よりも大きく設定されている。
【００５１】
そして、いずれかのシリンダ２に関する部分オーバーオール値が閾値Ｂを超えている場合（ステップＳ６のＹＥＳ判定）、ステップＳ７に進んでそのシリンダ２の負荷を下げた後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、主室ガス圧力調整弁２３が吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を低減し、シリンダ２の負荷を下げる。なお、シリンダ２の負荷の下げ代（例えば１０〜２０％）や下げ速度は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についても部分オーバーオール値が閾値Ｂ以下である場合（ステップＳ６のＮＯ判定）、ステップＳ８に進んで過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖが第３閾値（図８（ｂ）の閾値Ｃ。以下、閾値Ｃと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５２】
ステップＳ８において、いずれかのシリンダ２に関するシビアリティＳｅｖが閾値Ｃよりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ９に進んでそのシリンダ２の負荷を下げた後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、主室ガス圧力調整弁２３が吸気ポート４内に供給される燃料ガスの流量及び／又は圧力を低減し、シリンダ２の負荷を下げる。なお、シリンダ２の負荷の下げ代（例えば１０〜２０％）や下げ速度は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についてもシビアリティＳｅｖが閾値Ｃ以下である場合（ステップＳ８のＮＯ判定）、ステップ１０に進んで過去ＮサイクルのシビアリティＳｅｖが第４閾値（図８（ｂ）の閾値Ｄ（＜閾値Ｃ）。以下、閾値Ｄと称する。）よりも大きいか否かを判定する。この判定は各シリンダ２について行う。
【００５３】
ステップＳ１０において、いずれかのシリンダ２に関するシビアリティＳｅｖが閾値Ｄよりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１１に進んでそのシリンダ２についてタイミングリタード（着火タイミングを遅らせること）を行った後、ステップＳ２に戻る。具体的には、コントローラ４０の制御下において、点火プラグ９の点火タイミングを遅らせて、タイミングリタードを行う。なお、着火タイミングのリタード量（例えばクランク角度換算で２度）は任意に設定可能である。
一方、いずれのシリンダ２についてもシビアリティＳｅｖが閾値Ｄ以下である場合（ステップＳ１０のＮＯ判定）、ステップＳ１２に進んで、各シリンダ２の負荷及び着火タイミングが初期設定と異なるか否かを判断する。
【００５４】
いずれかのシリンダ２の負荷及び着火タイミングの少なくとも一方が初期設定と異なる場合（ステップＳ１２のＹＥＳ判定）、ステップＳ１３に進んで、そのシリンダ２の負荷又は着火タイミングを変更してから所定期間Ｘを経過したか否かを判断する。そして、ステップＳ１３において所定期間Ｘを経過していると判断された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１４に進んで、そのシリンダ２の負荷又は着火タイミングを初期設定に戻した後、ステップＳ２に戻る。このとき、負荷又は着火タイミングの初期設定への戻し速度は任意に決定可能である。
【００５５】
一方、ステップＳ１２において、いずれのシリンダ２の負荷及び着火タイミングも初期設定と同一である場合（ＮＯ判定）、ステップＳ２に戻る。同様に、ステップＳ１３において所定期間Ｘを経過していないと判定された場合（ＮＯ判定）、ステップＳ２に戻る。
【００５６】
このような手順で燃焼診断およびガスエンジン１各部の制御を行うことで、突発的に非常に大きい強度のノッキングが発生した時点で（すなわちＰＯＡ＞閾値Ａの場合）、ガスエンジン１の運転を即座に停止して安全を確保できる。また、いずれかのシリンダ２について、比較的大きな強度の振動が突発的に発生した時点（すなわちＰＯＡ＞閾値Ｂの場合）、あるいは、所定の強度を超える振動が頻発した（すなわちＳｅｖ＞閾値Ｃの場合）、そのシリンダ２の負荷を下げて安定した運転を行うことができる。さらに、比較的大きな強度の振動がやや高い頻度で発生した場合（すなわちＳｅｖ＞閾値Ｄの場合）、そのシリンダ２の着火タイミングを遅らせて、負荷を下げることなく、該シリンダ２のノッキングの発生を抑制しつつ様子を見ることができる。
【００５７】
なお、本実施形態では、部分オーバーオール値ＰＯＡおよびシビアリティＳｅｖという二つのパラメータを指標として燃焼状態を判定する例について説明したが、シビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて異常燃焼の有無を判定するようにしてもよい。例えば、以下の式（２）で表されるノック評価値を用いてもよい。
[数２]
（ただし、ｉ＝１、２、…、Ｎであり、（ＰＯＡ）iはｉサイクル目の部分オーバーオール値であり、Ｘiは（ＰＯＡ）iが所定の閾値を超えた場合は１、そうでない場合はゼロである。）
シビアリティを部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することで、ノック評価値という一つのパラメータのみによって、突発的に生じる燃焼状態の大きな変化と緩やかな燃焼状態の変化との両方を把握して、燃焼状態に応じた細やかな制御を行うことができる。
【００５８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１ ガスエンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
６ 主室
８ 副室
９ 点火プラグ
１０ クランク軸
１１ 副室ガス供給通路
２０ 副室ガス供給弁
２１ 副室ガス圧力調整弁
２２ 主室ガス供給弁
２３ 主室ガス圧力調整弁
２４ クランク軸角度検出器
２６ 筒内圧センサ
３０ 燃焼診断装置
３２ パワースペクトル算出部
３４ ＰＯＡ算出部
３６ 異常燃焼判定部
３８ シビアリティ算出部
４０ コントローラ
１００ 筒内圧波形
１０２ 筒内圧パワースペクトル
１０４ 振動レベル波形
１０６ 振動レベルパワースペクトル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、
前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、
少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて内燃機関を制御するコントローラとを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が第１閾値を超えた場合に内燃機関を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、
前記コントローラは、前記部分オーバーオール値および前記シビアリティに基づいて内燃機関を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが第３閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが前記第３閾値よりも小さい第４閾値を超えた場合に、そのシリンダの着火タイミングを遅らせることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、
前記コントローラは、前記シビアリティを前記部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの筒内圧であり、
前記ノックセンサは、各シリンダの筒内圧を検出する筒内圧センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの振動レベルであり、
前記ノックセンサは、各シリンダの振動レベルを検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記内燃機関がガスエンジンである請求項１乃至９のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、
前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、
少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて異常燃焼の有無をシリンダ毎に判定する異常燃焼判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項１】
シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、
前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、
少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて内燃機関を制御するコントローラとを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が第１閾値を超えた場合に内燃機関を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記部分オーバーオール値が前記第１閾値よりも小さい第２閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、
前記コントローラは、前記部分オーバーオール値および前記シビアリティに基づいて内燃機関を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが第３閾値を超えた場合に、そのシリンダの負荷を下げることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記コントローラは、いずれかのシリンダに関する前記シビアリティが前記第３閾値よりも小さい第４閾値を超えた場合に、そのシリンダの着火タイミングを遅らせることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記部分オーバーオール値が所定の閾値を超える頻度であるシビアリティをシリンダ毎に算出するシビアリティ算出手段をさらに備え、
前記コントローラは、前記シビアリティを前記部分オーバーオール値で重み付けたノック評価値に基づいて内燃機関を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの筒内圧であり、
前記ノックセンサは、各シリンダの筒内圧を検出する筒内圧センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
ノック強度と相関のある前記物理量はシリンダの振動レベルであり、
前記ノックセンサは、各シリンダの振動レベルを検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記内燃機関がガスエンジンである請求項１乃至９のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
シリンダ毎のノック強度と相関のある物理量を検出するノックセンサと、
前記ノックセンサの検出信号に対して周波数解析を行い、前記物理量に関するシリンダ毎のパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
ノッキング周波数を含む所定の周波数帯域における前記パワースペクトルの部分オーバーオール値を算出するＰＯＡ算出手段と、
少なくとも前記部分オーバーオール値に基づいて異常燃焼の有無をシリンダ毎に判定する異常燃焼判定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃焼診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５９０４８（Ｐ２０１２−１５９０４８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２２３（Ｐ２０１１−２０２２３）
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１日（２０１１．２．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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