JP5580716B2

JP5580716B2 - 失火検知方法及び失火検知システム

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Publication number: JP5580716B2
Application number: JP2010244357A
Authority: JP
Inventors: 雅之田村
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012097603A

Description

本発明は、失火検知方法及び失火検知システムに関し、特に内燃機関の排気温度を測定することによって失火の検知を行う失火検知方法及び失火検知システムに関する。

従来、内燃機関における失火検知方法及び失火検知システムとして、例えば特許文献１に示されるように、温度センサによって内燃機関の排気温度を測定し、制御手段によって、この排気温度の波形パターンと既知の波形パターンとの相関性を求め、相関性の値が所定の閾値以上である場合に失火であると判定するものが知られている。

確かに、このような失火検知方法及び失火検知システムによれば、失火の際に測定される排気温度の波形パターンが既知の波形パターンと類似する場合に失火であるとの判断が可能であると考えられる。

特開２００６−２１４３３３号公報（請求項１、段落００２７、００３７）

しかしながら、特許文献１に記載された失火検知方法及び失火検知システムは、既知の波形パターンとして、例えば平均化された参考波形を用いるため、相関性の値に対する閾値の最適化が難しかった。失火の際に測定される排気温度の波形パターンは、所定の傾向がみられるものの必ずしも一定ではなく、平均化された参考波形に対する相関性にばらつきが生じるものである。そのため、参考波形に対する相関性があまり高くない波形パターンを正しく失火であると判定しようとすると、閾値を低く設定せざるを得ず、これと同等の相関性を示す、例えば部分負荷制御による排気温度のゆらぎのような、失火でない状態（正常な状態）をも失火であるとして誤判定してしまう虞があった。また、反対にこのような誤判定を回避するために閾値が高く設定されると、失火の状態を正常であるとして誤判定する虞があった。

そこで、本発明は、上記のような課題を一例として、より高精度で失火を検知することができる失火検知方法及び失火検知システムを提供することを目的とする。

このような課題を解決するため、本発明による失火検知方法は、内燃機関の排気温度を測定する測定工程と、該測定工程によって測定された排気温度の対象波形と予め定められた参照波形とを相互相関が高くなるように同期させる同期工程と、該同期後の対象波形を前記同期後の参照波形に対して動的時間伸縮法を用いてアライメントし、該アライメント後の対象波形と参照波形との差異に基づいて失火の有無を判定する判定工程とを有することを特徴とする。
また、本発明による失火検知システムは、内燃機関の排気温度を測定する測定部と、該測定部によって測定された排気温度の対象波形を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された対象波形と前記記憶部に予め記憶されている参照波形とを相互相関が高くなるように同期させ、該同期後の対象波形を前記同期後の参照波形に対して動的時間伸縮法を用いてアライメントし、該アライメント後の対象波形と参照波形との差異に基づいて失火の有無を判定する制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関において失火が発生したことを、より高精度で検知する失火検知方法及び失火検知システムを提供することができる。

本発明の一実施の形態による失火検知システムを示す模式図である。本発明の一実施の形態による失火検知システムの制御を示すフローチャートである。（ａ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（参照波形）。（ｂ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（対象波形）。（ｃ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程）。（ｄ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（同期工程）。（ｅ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程、同期工程後にＤＴＷ工程）。（ｆ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程後にＤＴＷ工程）。（ａ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（参照波形）。（ｂ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（対象波形）。（ｃ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程）。（ｄ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（同期工程）。（ｅ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程、同期工程後にＤＴＷ工程）。（ｆ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程後にＤＴＷ工程）。（ａ）失火時の排気温度の変化を示すグラフである（参照波形）。（ｂ）正常時の排気温度の変化を示すグラフである（対象波形）。（ｃ）正常時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程）。（ｄ）正常時の排気温度の変化を示すグラフである（同期工程）。（ｅ）正常時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程、同期工程後にＤＴＷ工程）。（ｆ）正常時の排気温度の変化を示すグラフである（正規化工程後にＤＴＷ工程）。動的時間伸縮法の概念を説明するための参考図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。なお、本発明は、内燃機関の排気温度を測定することによって失火の検知を行う失火検知方法及び失火検知システムに広く適用可能であるが、ここでは本発明を発電用のガスエンジンにおける間歇失火の検知システムに適用した場合の一例について説明する。

図１に示されるように、本実施例における失火検知システム１の検知対象である内燃機関は、例えば３気筒を備えたガスエンジン１０であり、各気筒１０ａ，１０ｂ，１０ｃには吸気管１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及び排気管１３ａ、１３ｂ、１３ｃがそれぞれ設けられている。失火検知システム１は、ガスエンジン１０の排気管１３ａ、１３ｂ、１３ｃに設けられることでガスエンジン１０の排気温度を各温度センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ（例えば熱電対）により測定する測定部と、該温度センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって測定された測定値が入力されて失火の判定を行う検知部２０と、該検知部２０よる判定結果が出力される提示部としてのディスプレイ３０とによって構成される。なお、ガスエンジン１０の出力側には、発電機１７と該発電機１７における発電有効電力を測定するための電力センサ１９とが設けられており、この電力センサ１９による測定値は検知部２０に入力されている。

検知部２０は、各温度センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ（総称するときは「温度センサ１５」とする）によって測定された測定値及び電力センサ１９によって測定された測定値が入力される入力部２１と、少なくとも温度センサ１５によって測定された測定値が記憶される記憶部２３と、ガスエンジン１０が失火した場合における排気温度の標準的な変化を表す参照波形が格納されたデータベース部２５と、記憶部２３に記憶された排気温度の情報をデータベース部２５に格納されている参照波形と比較することで失火の有無を判定する制御部２７と、制御部２７による判定結果をディスプレイ３０に出力する出力部２９とから構成されている。なお、記憶部２３に対して予め参照波形を格納しておくことにより、記憶部２３がデータベース部２５を兼ねることもできる。

入力部２１は、各温度センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃによって測定された測定値及び電力センサ１９によって測定された測定値が入力され、これを演算可能なデジタル信号に変換して制御部２７等に出力するインターフェースである。なお、各温度センサ１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び電力センサ１９自体に予めＡ／Ｄコンバータ等を設けられていても構わない。

記憶部２３は、温度センサ１５によって測定された排気温度の測定値が所定の時間間隔（測定間隔）で経時的に記憶されるものであり、実施例における測定間隔は１ｓｅｃ間隔となっている。なお、記憶部２３は、排気温度の測定値だけでなく、これに加えて電力センサ１９によって測定された測定値を記憶する構成としても構わない。

データベース部２５に格納されている参照波形（例えば図３（ａ）参照）は、失火の際に特徴的に現れる排気温度の標準的な波形パターンであり、本実施例では対象となるガスエンジン１０の過去の失火時における排気温度の測定データを平均化したものある。なお、この参照波形は、シミュレーションによって理論的に再現されたものであっても構わない。

電力センサ１９によって測定される発電有効電力は、トルクに比例するものであり、間歇失火が発生した際に瞬間的な変動（ゆらぎ）を生じることが経験的に知られている。この変動は、発電有効電力の増加又は減少として測定されるものである。

制御部２７による失火判定の具体例について図２のフローチャート及び図３乃至５のグラフを参照しながら説明する。制御部２７は、検知部２０に入力される発電有効電力の変動を監視する発電有効電力監視手段を備えている。この発電有効電力監視手段により発電有効電力の変動が所定の閾値以上であると判定さると、計測トリガがオンになり、制御部２７によって失火検知の診断の対象となる対象波形が決定される（ステップＳ１１）。なお、失火における発電有効電力の変動は増加又は減少として測定されるため、変動の絶対値に対して閾値の比較がされる。発電有効電力監視手段による判定において、失火したにもかかわらず失火でないとの誤判定が行われることを回避するために、この閾値は低く設定されるものである。

診断の対象となる対象波形は、例えば、発電有効電力の変動が測定された時間（計測トリガがオンとなった時間）を基準時として、その前後の所定時間における排気温度の測定値が記憶部２３から呼び出されるものである。実施例における対象波形の区間は２００ｓｅｃであり、基準時を７０ｓｅｃとしてあるため、少なくとも基準時の前７０ｓｅｃ、後１３０ｓｅｃの合計２００ｓｅｃが記憶部２３から呼び出される。

次に、この呼び出された対象波形と、データベース部２５に予め記憶されている参照波形との比較が行われる。まず、参照波形に対して対象波形の時間軸を所定範囲内で１ｓｅｃずつずらしながら相互相関を算出し、この相互相関が最も高くなる時間軸の位置を求め、この位置に対象波形をずらすことで参照波形と対象波形とを同期させる（ステップＳ１２：同期工程）。このように時間軸をずらしながら相互相関を算出するため、記憶部２３から呼び出される対象波形は、その前後に対して、所定時間分だけのデータを付加的に有している。

なお、この同期工程において、参照波形及び対象波形は、相互相関の算出を容易にするために、また、対象区間の端（０ｓｅｃ側及び２００ｓｅｃ側）の情報の重みを減じ、特徴的波形が現れる中央付近に注目するために、測定された排気温度から２００ｓｅｃの区間における排気温度の平均値が減算され（偏差に変換）、さらにハニング窓関数が乗じられたうえで標準偏差が１となるように正規化されている（正規化工程）。すなわち、同期工程及び正規化工程は、（１）対象波形の時間軸の移動、（２）偏差への変換、（３）ハニング窓関数の実行、（４）標準偏差を１に正規化、（５）相互相関の算出、の５つのステップが時間軸の所定範囲内で繰り返されて行われるものである。

次に、この相互相関の最も高い位置で同期した参照波形と対象波形とについて、対象波形が参照波形に最も一致するように動的時間伸縮法（ＤｙｎａｍｉｃＴｉｍｅＷａｒｐｉｎｇ：ＤＴＷ）を用いて調整する。ここで、実施例に用いられる動的時間伸縮法について説明する。

動的時間伸縮法は、２つの波形（時系列データ）において、一方の波形の各データを他方の波形の各データに対応付けて、所定の許容範囲内で時間軸を非線形に伸縮することによって２つの波形の距離を最小化することができるものである。

例えば、図６に示すようなｔ点からなる波形Ｔ及びｒ点からなる波形Ｒについて、これらの距離を動的時間伸縮法によって最小化することを考えてみる。これは、２つの波形Ｔ及び波形Ｒのどの点とどの点とが互いに対応するとみなすのかを示すｔ×ｒのグリッド上の軌跡をｃ（ｋ）＝［ｉ（ｋ），ｊ（ｋ）］（ｋ＝１、・・・、Ｋ、ｍａｘ（ｔ、ｒ）＜Ｋ＜ｔ＋ｒ）とした場合に、このｃ（ｋ）の経路の最小値を求める手続に置き換えることができる。

ここで、波形Ｔと波形Ｒとの距離Ｄを、式（１）のように定義する。

ｗ（ｋ）は局所距離ｄ［ｉ（ｋ），ｊ（ｋ）］に対する重みであり、実施例では一定となっている。ｄ［ｉ（ｋ），ｊ（ｋ）］は例えば、式（２）のように定義される。

動的時間伸縮法の計算は、式（１）の距離Ｄを最小化するようにｃ（ｋ）を決定するものであるが、ｃ（ｋ）を完全に任意な軌跡から選べるようにしてしまうと、２つの波形Ｔ及び波形Ｒが過剰な変形をしてしまうことになる。すなわち、本来であれば対応関係にないはずの点を対応する点であるとみなすことが可能となってしまうものである。

そこで、このような過剰な変形による波形の一致を防ぐために、一般にｃ（ｋ）の傾きを制限するＬｏｃａｌｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ（ＬＣＣ）と、ｃ（ｋ）の存在できる範囲を制限するＧｌｏｂａｌｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ（ＧＣ）とを設定し、これに従って計算が行われる。

実施例では、ＬＣＣとして、Ｐ（ｉ，ｊ）に遷移できる点をＰ１（ｉ−１，ｊ）、Ｐ２（ｉ−１，ｊ−１）及びＰ３（ｉ，ｊ−１）の３点のみとする制限を設けた（いわゆるＳａｋｏｅ−ｃｈｉｂａ制約の一種）。これにより、ｃ（ｋ）の軌跡は、水平移動、傾きが１の移動及び垂直移動の３種類によって描画されることになる。また、ＧＣとしてｃ（ｋ）が始点と終点とを結ぶ直線から±Ｍの幅に収まることとする制限が設けられている（いわゆるＳａｋｏｅ−ｃｈｉｂａＢａｎｄ制約）。実施例におけるＭは、例えばＭ＝５のような比較的小さな値となっている。これは、実施例における参照波形及び対象波形がいずれも比較的単純な形状であるため、Ｍの値を大きくしてしまうと、あまり類似しない波形同士であっても距離が小さくなるように変形できてしまうからである。なお「Ｍ」は、時系列データの数を表すものであり、本実施例のように１ｓｅｃ間隔で測定を行う場合において、Ｍ＝５のときには、５個の測定値ということであり、５ｓｅｃに相当するものである。また、さらに上記の制限に加え、さらに波形の端点につても制限を設けた。実施例では、２つの波形の最終点を一致させるＦｉｘｅｄ−ｅｎｄｐｏｉｎｔ制約を設けた。

このような定義のもとで、距離Ｄが最小となるｃ（ｋ）を決定するために、動的計画法（Ｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）が用いられる。まず（ｉ，ｊ）に至るまでの最小累計距離をＤＡとして、式（３）に示される再帰式を各（ｉ，ｊ）について解き、その後、最終点から遡ることで距離Ｄが最小となるｃ（ｋ）を決定することができる。

このような動的時間伸縮法に基づいて、同期工程において同期された参照波形と対象波形について、特定されたｃ（ｋ）の経路の内容に応じて対象波形の時間軸を伸縮させてアライメントする（ステップＳ１３：ＤＴＷ工程）。これにより、参照波形に対して対象波形が同様の特徴をもっている場合には、両波形がより一致するようになる。

次に、このＤＴＷ工程後の参照波形と対象波形との差異を算出する（ステップＳ１４）。差異は、例えば２００ｓｅｃの各点における参照波形と対象波形との差異（例えば単純な差分や、ユークリッド距離など）の累積が利用できるほか、上記の距離Ｄの値をそのまま利用しても良く、２つの波形の差異が一義的に決定できるものであれば構わない。そして、この差異の値が予め設定されている所定の閾値と比較され（ステップＳ１５）、閾値より小さければ、参照波形に類似するということであるから、失火であるとして判定される（ステップＳ１６）。また、閾値より大きければ、参照波形に類似しないということであり、正常運転として判定される（ステップＳ１７）。これらの判定は、失火である場合にディスプレイに出力される。なお、判定結果が正常運転の場合にも、判定（診断）が行われたことをディスプレイに表示するようにしても構わないし、表示しないまでも判定が行われたことが制御部等に保存されるようにしても構わない。

図３乃至５は、実施例の失火検知システム１における各工程後の波形を示すグラフである。図３及び４が失火の診断事例であり、図５が正常な運転状態における診断事例である。なお、図３乃至５における排気温度は、温度センサ１５ａ乃至１５ｃの測定値のうち特定の１つを示すものであり（事例１及び２においては失火のあったもの）、残りの２つの測定値は省略されている。各図ともに横軸は時間であり、２００ｓｅｃの区間となっている。また、縦軸は、排気温度の測定値をそのまま表示するものではなく、相対値となっており、図示例では２００ｓｅｃの区間における排気温度の平均値が減算された値（偏差）を所定の定数で割ったものとなっている。

図３乃至５において（ａ）はいずれもデータベース部２５に格納された参照波形であり、（ｂ）はそれぞれの事例における対象波形となっている。（ｃ）は正規化工程を経た参照波形と対象波形とを重ね合わせたものであり、（ｄ）はさらに同期工程を経たものである。そして、（ｅ）は、さらにＤＴＷ工程を経たものであり、対象波形をアライメントすることで、参照波形に対してより一致させたものである。なお、対比のために、（ｃ）に対してＤＴＷ工程を行ったものを（ｆ）に示す。

事例１：失火
図３に示されるのは、典型的な間歇失火における排気温度の波形である。そのため、同期工程後の（ｄ）の段階で、すでに対象波形と参照波形とがかなり一致しているようにみえる。しかしながら、まだ波形の一致が足りず、この段階で両波形の差異を測定すると閾値の設定値によっては失火として判定されない場合がある。これに対して、（ｅ）に示されるＤＴＷ工程後の対象波形と参照波形とは、かなりの部分で一致しており、精度の高い判定結果を得ることができる。なお、ＤＴＷ工程におけるＧＣとしてＭの値を比較的小さくしているため、（ｃ）に対してＤＴＷ工程を行った（ｆ）は、（ｃ）とほとんど変わることがない。

事例２：失火
図４に示されるのは、変則的な間歇失火における排気温度の波形である。図３（ｂ）の波形と比較してみると、図４（ｂ）の波形は、温度の下がり始めや復帰の際の傾き（変化率）が緩慢である。そのため、図４（ｄ）のように正規化工程後に同期工程を経ても、波形同士がそれほど一致することはなく、このままでは失火として判定されない場合がある。これに対して、（ｅ）に示されるＤＴＷ工程後の対象波形と参照波形とは、温度の下がり始めや復帰点ではズレがみられるものの、かなりの部分で一致しており、精度の高い判定結果を得ることができる。なお、ＤＴＷ工程におけるＧＣとしてＭの値を比較的小さくしているため、（ｃ）に対してＤＴＷ工程を行った（ｆ）は、（ｃ）とほとんど変わることがない。

事例３：正常
図５に示されるのは、ガスエンジンの部分負荷制御による排気温度のゆらぎである。これは、失火ではないが、正規化工程及び同期工程を経た（ｄ）における参照波形と対象波形との一致度は、失火の際の波形を示す図４の（ｄ）とそれほど変わることがない。すなわち、図４（ｄ）を失火と判定する閾値であれば、図５（ｄ）もまた失火として判定してしまう可能性がある。しかしながら、（ｄ）にさらにＤＴＷ工程を経た（ｅ）では、図５よりも図４のほうが格段に一致しており、差異が明確となるものである。このようにＤＴＷ工程を経ることにより、事例２では正しく失火と判定でき、事例３では正しく正常であると判定できる。なお、この図５の例では（ｃ）と（ｄ）の差異が小さいため、（ｅ）と（ｆ）の差異も小さいものとなっている。

なお、過去に記録された間歇失火の可能性のある波形パターンを２０１１個抽出し、これらに対して、エキスパートによる判断を行ったところ、６７９個が失火であり、１３３２個は失火ではないと分類された。これらの２０１１個の波形パターンについて、実施例の方法によって失火の有無について診断（判定）を行った。

この際、実施例の通りの方法で判定を行う場合と、実施例の方法からＤＴＷ工程のみを省略して判定を行う場合とで比較を行った。結果は、実施例の方法からＤＴＷ工程を省略して判定を行う場合では、正常な波形を失火として判定した数が２個、失火の波形を正常な波形であるとして判定した数が６個であり、誤判定が８個であった。これに対し、実施例の通りの方法で判定を行う場合では、正常な波形を失火として判定した数が２個と同じであったが、失火の波形を正常な波形であるとして判定した数が３個であり、誤判定が５個と減少した。これにより、ＤＴＷ工程がより高精度な失火判定に有効であることが確認された。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、検知部の構成は一例であり、それぞれの機能を充足するものであれば異なる構成であっても構わない。

また、計測トリガとして電力センサにおける発電有効電力の変動を用いた例を示したが、これに限定されない。例えば、温度センサによって測定される排気温度に所定の割合以上の急激な変化が生じたときに診断を開始するようにしても構わない。この場合、電力センサを省略することができる。また、診断を開始するための計測トリガを設けず、１ｓｅｃごとに対象波形をずらすことで連続して診断し続ける構成としても構わない。

また、同期工程として参照波形と対象波形との相互相関が最も高くなるように時間軸をずらす例を示したがこれに限定されない。例えば、時間軸をずらすという操作によって結果として相互相関が高くなるものであれば良く、参照波形における最も温度の低い時間に対して対象波形における最も温度の低い時間を一致させるようにしても構わない。

また、参照波形が一種類のみである例を示したがこれに限定されない。例えば、過去の失火時における波形パターンの全て（または、そのうち複数）を参照波形としてデータベース部に登録するものでも構わない。また、シミュレーションによって理論的に波形を再現する場合には、シミュレーションのパラメータを変更することで、複数の波形を持つようにしても構わない。

１失火検知システム
１０ガスエンジン
２０検知部
２３記憶部
２５データベース部
２７制御部

Claims

内燃機関の排気温度を測定する測定工程と、
該測定工程によって測定された排気温度の対象波形と予め定められた参照波形とを相互相関が高くなるように同期させる同期工程と、
該同期後の対象波形を前記同期後の参照波形に対して動的時間伸縮法に基づいてアライメントし、該アライメント後の対象波形と参照波形との差異に基づいて失火の有無を判定する判定工程とを有することを特徴とする失火検知方法。
内燃機関の排気温度を測定する測定部と、
該測定部によって測定された排気温度の対象波形を記憶する記憶部と、
該記憶部に記憶された対象波形と前記記憶部に予め記憶されている参照波形とを相互相関が高くなるように同期させ、該同期後の対象波形を前記同期後の参照波形に対して動的時間伸縮法を用いてアライメントし、該アライメント後の対象波形と参照波形との差異に基づいて失火の有無を判定する制御部とを有することを特徴とする失火検知システム。