• 検索結果がありません。

Us i ng  Wavel et  Tr ans   f or m  f or  SI  Engi ne

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "Us i ng  Wavel et  Tr ans   f or m  f or  SI  Engi ne"

Copied!
8
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

Us i ng  Wavel et  Tr ans   f or m  f or  SI  Engi ne

Nobuo KURIHARA,Junichi S

 

UZUKI ,Yuuya SIRAYAMA ,

Jonathan BORG and Shigeru OHO

Abstract  

This study examined the application of wavelet transforms to signal processing to improve the reliability of knock detection. It was expect ed that this method would make it possible not only to keep track of continuous knock vibrati ons,but also to detect vibrations occurring and disappearing instantaneously. For this the scal e‑spectrum  comparison method was proposed as the method of knock detection. This method f ocuses on the components of resonant vibration that are specific to the engine,and compares t heir scale power spectra with each other in real time. A  4‑cycle gasoline engine was used for t he experiment. Cylinder pressure sensors and a vibration sensor were attached,and a comparat ive examination of the knock detection perfor- mance of the two signal processing methods,the conventional Fourier transform  method and the proposed scale‑spectrum  comparison method,was   carried out. Data over the whole operating range of the engine was obtained,and the data s howed that it was possible to reduce both errors and mistakes as compared with the conventional   method.

:Knocking Detection,Wavelet Transform,Scale‑spectrum  Comparison Method, SI Engine

 

Introduction

 

In a spark‑ignition engine,knock control is widely used to produce   optimum  combus- tion,whatever  the  driving  conditions  or changes  in  fuel  proper  ties. Normally, a vibration sensor is at tached to the cylinder block  and  the  timing  of  t  he  ignition  is  

controlled by detecting components of reso- nant vibrations in the vibration sensor signal, because these vibration components indicate the occurrence of knocki  ng. The reliability of this method of knock det  ection decreases as the engine speed or l oad increases,because of the increase in  backgr  ound  noise. It is desirable to find a pr oposal for a detection method  which  minimi zes errors,which  are erroneous detections of  knocking,and misses, which are failures to detect knocking(this is called error‑free detect ion below).

Because  the  current  knock  detection method compares the combus  tion character- istics of the past several times of combustion and  the  combustion  char  acteristics  of the current  time  of  combus  tion, a  delay  in response  occurs. Becaus  e  this  detection method uses a Fourier  transform,there is a  

Received January 5,2007

Professor of Department of System & Infor- mation  Engineering,Faculty  of Engineer- ing,Hachinohe Institute of Technology,88‑

1,Myo,Hachinohe,Aomori 031‑8501,Japan Tel& Fax:+81‑178‑25‑8174,e‑mai  l:kur- ihara@hi‑tech.ac.jp

Graduate  Student  of  Doctor  of  Science Program  in  Mechani cal Engineering  Sys- tems,Hachinohe Institute of Technology, 88‑1,Myo,Hachinohe,Aomori 031‑8501, Japan

Automotive  Products  Research  Lab., Research& Development Division,Hitachi America,Ltd.  

(2)

limit to  the  minimum  numbers  of  waves necessary  for detecti on,also  reducing  the sensitivity. These  may  caus  e  detection errors,and control per formance is not neces- sarily satisfactory for driving with frequent acceleration and decel eration.

To eliminate the delay in knock  detec- tion,this study examines a method to detect a knock for each combus  tion in an indepen- dent manner without using  the past trend.

The sensor used was a conventional type,or a vibration sensor. It  was decided to apply a wavelet transform,r ather  than  a  conven- tional Fourier transform,to signal process- ing,because  the  former  is  thought to  be advantageous in graspi ng the characteristics of local state  changes  . In  the  course  of examining  detection  met  hods in  an  experi- mental way,a basic method for signal proces- sing was first established using an in‑cylinder pressure  sensor,and  t hen  its performance was compared  to  the convent  ional method using  a  practical vibr  ation  sensor. As  a result,a scale spectrum  compar  ison method using a wavelet transf orm  was proposed,and a reduction of detecti on errors by this was confirmed by an engine  experiment.

Knock control& experimental  system

 

Knock control is a method that intention- ally generates minimal knocking and keeps its frequency properly. Knocki  ng is detect- ed as resonant vibrations of in‑cylinder pres- sure,and vibrations that travel to a cylinder block are normally meas  ured by an accelera- tion sensor. The occurrence of knocking is determined by using i ts vibrational energy.

In the conventional method of knock detec- tion,the power spectrum  of a resonant fre-

quency  specific  to  an  engine  is  extracted through a bandpass f ilter or a digital filter (FFT). Ignition  timing  is  gradually advanced. Then,when t  he size of the fre- quency power spectrum  exceeds a prescribed level,it is judged as the  occurrence of knock- ing,and  ignition  timing  is  retarded. In knock control,this pr ocess is repeated,and ignition timing is advanced by t  he average.

Therefore,the  maximum  torque  is consis- tently obtained without the influence of fuel properties,operating  condi  tions,individual differences  of  engines ,differences  among cylinders,etc. Resonant   vibrations occur to some  extent even  in  or  dinary  combustion caused by fire propagat ion,and have an influ- ence on knock detection as noises. For this reason,a method that l earns expected values from  combustion data s  everal times in the past and  compares them  i  s adopted. This learning process causes  detection delays,and worsens the  performance  of cont  rol under acceleration. This study   aims at eliminating the  learning  process  of  noi  se  levels  and detecting knocking in one   combustion stroke.

Knocking is a phenomenon that appears and vanishes in a shor t period of time in a combustion  stroke. Ther  efore, for  the improvement of the sens  itivity of detection,it is considered that a wavel  et transform,which can grasp the character istics of local changes of state in comparison wi  th a conventional Fourier transform,woul  d  be  effective. In this study,the effect of   the application of a wavelet  transform  i  s  experimentally examined. Figure 1 s hows the experimental system. A  PC  for anal  ysis was installed in parallel with an engi ne control unit,and a spark plug that includes   in‑cylinder pressure sensors and vibration s ensors were attached

 

(3)

 

to  an  engine. In‑cylinder pressure signals, vibration  signals  and  crank  angle  signals were simultaneously meas  ured through a 14‑

bit A/D  converter. Because the frequencies of resonant vibrations t  hat knock  control covered were within 20  kHz,it was decided that the sampling peri od would be 10μs,and wavelet  transforms  wer  e  conducted  for imported data using the   same PC.

Scale‑spectrum  comparison method

 

Six types that are shown in Figure 2 can be considered as resonant   vibration modes of knocking. The circul ar form  indicates a top view  of a cylinder,and t  he quadrangle indi- cates a side view  of a cylinder. A1 and A2, which  are  primary  circumferential modes, pair up with B1 and B2,which are secondary circumferential modes . In addition,C1 is a primary radial mode,and D1 i  s a  primary axial mode. The das hed line indicates the nodes of the oscillation  of an air column,and

“+”and“−”respectively indicate the higher part and the lower par t of the pressure in a cylinder.  

Figure 3 and Figure 4 show the measured  

data that were obtained from  experiments of an engine and the exampl  e of the occurrence of  knocking  from  the  r  esults  of  wavelet  

Fig.1  Experimental system

 

Fig.2  Resonant‑vibration modes of knocking

 

Fig.3  Different  modes  in  the  same  crank angle  

 

Fig.4  Same mode in different crank  angles and different mode i  n the same com- bustion

(4)

 

transforms. In the upper part of Figure 3, the characteristics of knocking are grasped at 15 to 30 degrees of  crank  angles ATDC.

Scales are 4 to 7,and there is a power compo- nent like a white belt. As a result of calibra- tion,it was found that the power component corresponded to the res onant vibration mode C1. Also  in  the  lower  par  t of Figure  3, knocking is grasped at 15 to 30 degrees of ATDC. However,the  scales are 6 to 14,and the resonant vibration mode i  s A1. In the lower part of Figure 3,t  he resonant vibration mode C1 is grasped at 15   degrees of the crank angle  ATDC,and  the  r  esonant  vibration mode A1 is grasped at  35 to 53 degrees of the crank angles ATDC. Fr  om  these results,the following findings are obt  ained:

(1) Even at the same crank angle,dif- ferent resonant vibration  modes occur.(in the upper part of Figur e 3 and the lower part of Figure 3)  

(2) Even at different crank angles,the same resonant vibration  mode occurs.(in the upper part of Figure 4 and t  he lower right part of Figure 4)  

(3) Even in the same combustion proc- ess,different resonant vibration modes occur depending on crank angl  es.(in the lower left part of Figure 4 and t he lower right part of Figure 4)  

(4) Plural resonant vibration modes do not simultaneously occur   dominantly.(all)

From  experiments with an engine,it was found that the identifi cation of various reso- nant  vibration  modes  was  important  for knock  detection. In par  ticular,from  many experimental results obt  ained by the author and other persons,it i s judged that the fact that plural resonant vi bration modes do not simultaneously  occur  l  ocally  is  a  general  

characteristic. In addition,the difference of resonant vibration modes   can be discriminat- ed by scales. By using this finding,a method that can detect knocki ng in one combustion stroke  without  the  l  earning  process  is planned.  

Figure 5 shows a new  knock  detection method that is a scale‑s  pectrum  comparison method. (1)Scale power   spectra are deter- mined for resonant vibration modes. Here, resonant vibration modes of A1,B1,and C1 are shown. Correspondi  ng scales are 12,8, and 6. (2)At a certain crank  angle,scale power spectra  that cor  respond  to  resonant vibration modes A1,B1,and   C1 are compared mutually. The detail s are as follows. The engine is started at ever  y stroke of combus- tion. First,depending on crank  angles,in‑

cylinder pressure signals are sampled  at a high  speed  from  0 to  60 degr  ees of crank angles ATDC,which  ar  e  regarded  as  the domain  where  knocki  ng  occurs. Then, filtering is conducted in the frequency domain from  5 to 20 kHz. Next  ,depending on crank angles,scale power spect  ra P ,P ,and P are determined at scales a   of 12,8,and 6 that correspond to resonant  vibration modes A1, B1,and C1. Then,the crank angle zone A that corresponds to l arge P is determined.

Fig.5  Scale‑spectrum  comparison  method (proposed)

 

(5)

 

In the crank  angle zone A,P ,P ,and ,that is,the average values of P ,P ,and P ,are determined. The r  atio of P and the sum  of P and P  is determined,and the result is defined as t  he index P that indicates knock intens ity. In the same man- ner,P and P are also determined. If one of the two knock indexes   P ,P ,and P exceeded the threshold value P ,it is judged that knocking  occurr ed. If all the  knock indexes P ,P ,and P  do not exceed the threshold value P ,it i s judged that knocking did not occur.  

Knock detection in one  combustion

 

Figure 6 to Figure 8 show  the examples of experimental resul ts where knock  detec- tion  was conducted  by  using  the proposed scale‑spectrum  compar  ison  method. The operating condition is 2, 000 rpm  at a constant state. A  threshold val ue for the judgment of knocking is set to pr event wrong judgment arising from  the variat ion of combustion,and P =1.5 was set here. I  n Figure 6,the knock indexes P ,P ,and P  were sequentially compared with,P and P  >P was judged as the occurrence of knocki  ng. Similarly in Figure 7,P >P was  judged as the occur- rence of knocking. Figure 8 shows an exam-

ple where it was judged that no knocking had occurred,because the knock   indexes P ,P , and P did not exceed the threshold value

. From  these results,it was proved that knocking could be det ected in one combus- tion stroke.

Figure 9 shows an  example of experi- mental results under acceleration. Figure 9 (a)is a waveform  of in‑cylinder pressure.

Acceleration was started from  850 rpm  at the 1 hill,and the speed at   the 3 hill is 3,000 rpm. Figure 9(b)and(c)s  how  the results where  the  scale‑spect  rum  comparison method was applied to  the 1 hill and the 3 hill. In  Figure  9(b), knocking  was  not detected. However,i n Figure 10(c),knock- ing was detected in the range of crank angles from  9 to 13 degrees. Fr  om  these results,it was proved that knocki  ng could be detected also  under accelerati on  by  using  the same threshold value as at a  constant state.

Fig.6  Example detecting knock with mode C  

Fig.7  Example detecting knock with mode A

 

Fig.8  Example not detecting knock  

(6)

Reducing detection errors

 

The current engine uses not an in‑cyclin- der pressure sensor,but a vibration sensor. Therefore, the  S/N  ratio  of  the  signal decreases and detection  errors occur. It was examined whether the s  cale spectrum  com- parison  method  has the effect of reducing such detection errors. 

For  judgment  of  the  occurrence  of knocking,the results obt  ained using the in

‑cylinder  pressure  sensor  were  used  as  a reference. The signal  of the vibration sen- sor was transformed  into  a  Fourier trans- form  and compared with this reference. The results of this compar  ison  and  the  results obtained using the scal  e spectrum  compari- son value(knock index)are shown in Table 1. The judgment resul ts shown here concern the data obtained for 100   consecutive times of combustion at 1,200 and 5,  000 rpm,respec- tively.

Detection  errors were  defined  here  as follows:  

True:Occurrence  of knocking  judged according to the in‑cyl inder pressure sensor signal and  occurrence  of knocki  ng  judged according to the vibrat ion sensor signal

Miss:Occurrence  of  knocki  ng  judged based on the in‑cylinder   pressure sensor sig- nal,but absence of knocking judged accord- ing to the vibration sensor signal

Error:Absence  of  knocki  ng  judged according to the in‑cyl inder pressure sensor signal,but occurrence  of knocki  ng  judged according to the vibrat ion sensor signal

Table 1 shows exampl  es of knock detec- tion at 1,200 rpm,using the in‑cylinder pres- sure signal.

Where

f p:Fourier spectrum  method using the in‑cylinder pressure s ensor signal(used as a reference of knock judgment  )

fv:Fourier spectrum  method using the vibration sensor signal(cur  rent method)

wv:Scale spectrum  comparison method using the vibration sens  or signal(proposed method),“1”:occurrence   of knocking,“0”:

absence of knocking.

Knocking was detected 3 times per 100 combustions  at  1,200  r  pm. For  these  

Fig.9  Knock detection at the time of acceler- ation

 

Fig.10  Trend  of frequency‑spectrum  of in‑

cylinder pressure signals

 

(7)

 

Table 1 Comparison of the knock detection in combustion of 100 continuations at 1,200 rpm   No.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25   fp 0 0   fv 0 0   wv 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0   No.227 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50   fp 0 0   fv 0 0   wv 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0   No.552 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75   fp 0 0   fv 0 0   wv 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0   No.777 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 10TruMisError   fp 0 0 3‑‑ fv 0 0 3 0 2   wv 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0  

(8)

knocks,the results(fv)of the Fourier trans- form  using the vibration sensor signal caused no  Miss judgments,but 2  Er  rors. By  the method of applying the  scale spectrum  com- parison method,the results(wv)were im- proved to no Miss judgments and no Errors at 1200 rpm.  

Conclusions

 

Knock control is applied to combustion optimization  of gasol ine  engines,and  this study strived for perf ormance improvement of knock  control. In  convent  ional knock detection,there is a del ay due to learning the past combustions,and t his lowers the control performance during accel  erating driving.

Based on engine experiments,this study (1) found that multiple resonant vibra- tion modes do not occur simultaneously.

(2) proposed a scale spectrum  compari-

son method using a wavelet transform.

(3) found that the scale spectrum  com- parison method can detect a knock  in one combustion,and that i t can also be applied during accelerating dr iving.

(4) confirmed that detection errors can be reduced by applyi ng the scale spectrum comparison method t o a practical vibration sensor.  

References

 

1. M.Kaneyasu,N.Kurihara,et  al.,Engine knock  detection  us ing  multi‑spectrum method,SAE paper 920702(1992) 

2. D.Scholl,and C.Davis,et al.,The volume acoustic  modes  of  s park‑ignited  internal combustion  chambers ,SAE  paper  980893 (1998)

3. N.Kurihara,J.Fu,et al.,Quick Detection of Knocking  Combusti on  Using  Wavelet Transform  for Spark‑I  gnition(SI)Engine, Proc.12th  Int.Congress  on  Sound  and Vibration,ICSV12,Paper   No.717(2005)  

Tabl e  1  s hows  exampl   es  of  knock  det ec- ec-t i on  at  1, 200  r pm,us i ng  t he  i n‑cyl i nder  pr es  -s ur e  s i gnal .
Table 1 Comparison of the knock detection in combustion of 100 continuations at 1,200 rpm   No.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25   fp 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0   fv 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

参照

関連したドキュメント

Murota: Discrete Convex Analysis (SIAM Monographs on Dis- crete Mathematics and Applications 10, SIAM, 2003).. Fujishige: Submodular Functions and Optimization (Annals of

Conversely, Lemma 3.1.10(4) implies that every subpath of λ is contained in a tile in λ... 542 MLADEN BESTVINA, MARK FEIGHN, AND MICHAEL HANDEL.. Definitions 3.1.12. if

In this paper, we study the solvability and nonsolvability of a singular nonlinear system of partial differential equations which appear in the normal form theory of vector fields. It

Key words and phrases: Linear system, transfer function, frequency re- sponse, operational calculus, behavior, AR-model, state model, controllabil- ity,

[r]

Zhao, “Haar wavelet operational matrix of fractional order integration and its applications in solving the fractional order differential equations,” Applied Mathematics and

We observe that the elevation of the water waves is in the form of traveling solitary waves; it increases in amplitude as the wave number increases k, as shown in Figures 3a–3d,

“ Increase the Eco-friendly of Solid Waste Management System from waste collection, transfer waste, disposal waste to land. fills, compositing, and/or incinerations along with