JP2005351149A - Knocking detecting device and knocking detecting method of internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関のノッキング検出装置およびノッキング検出方法に関する。 The present invention relates to a knocking detection device and a knocking detection method for an internal combustion engine that generates power by burning a fuel / air mixture in a combustion chamber.
従来から、内燃機関のノッキングを防止するための装置として、燃焼室内の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段からの検出信号に基づいて熱発生率の変化状況(変化度合)を演算する演算手段と、当該内燃機関における熱発生率の変化状況を記憶した記憶手段とを備えたものが知られている。この装置では、ノッキングの発生によって筒内における熱発生率が一時的かつ急峻に上昇することに着目し、演算手段によって求められた熱発生率の変化状況と、記憶手段に記憶された熱発生率の変化状況とを比較することにより内燃機関の燃焼状態を判定し、ノッキングを回避すべく燃焼制御が実行される。 Conventionally, as an apparatus for preventing knocking of an internal combustion engine, an in-cylinder pressure detecting means for detecting an in-cylinder pressure in a combustion chamber, and a change state (degree of change) of a heat release rate based on a detection signal from the in-cylinder pressure detecting means. There has been known one provided with a calculation means for calculating the above and a storage means for storing a change state of a heat release rate in the internal combustion engine. In this device, paying attention to the fact that the heat generation rate in the cylinder rises temporarily and steeply due to the occurrence of knocking, the change state of the heat generation rate obtained by the calculation means and the heat generation rate stored in the storage means The combustion state of the internal combustion engine is determined by comparing with the change state of the engine, and combustion control is executed to avoid knocking.
上述の従来の装置では、熱発生率の変化状況の算出精度は、筒内圧力のサンプリング周期に依存する。すなわち、筒内圧力のサンプリング周期が長いと、実際にはノッキングが発生しているにも拘らず、算出された熱発生率の変化状況が本来の一時的かつ急峻な状態を反映せず、記憶された熱発生率の変化状況との差が小さくなってしまい、上記比較処理を行ってもノッキングを検出し得なくなることがある。その一方で、筒内圧力のサンプリング周期を大幅に短くすれば、ノッキングの検出精度を向上させることが可能となるものの、演算負荷は過大なものとなり、ノッキングを検出するための装置を例えば車両用内燃機関等に適用することが実際上困難となる。 In the above-described conventional apparatus, the calculation accuracy of the change rate of the heat generation rate depends on the sampling period of the in-cylinder pressure. That is, if the sampling period of the in-cylinder pressure is long, the calculated change in the heat generation rate does not reflect the original temporary and steep state in spite of the fact that knocking has actually occurred. The difference with the change state of the generated heat generation rate becomes small, and knocking may not be detected even if the comparison process is performed. On the other hand, if the in-cylinder pressure sampling period is significantly shortened, knocking detection accuracy can be improved, but the calculation load becomes excessive, and a device for detecting knocking is used for, for example, a vehicle. It becomes practically difficult to apply to an internal combustion engine or the like.
そこで、本発明は、低負荷で精度よくノッキングを検出可能とする内燃機関のノッキング検出装置およびノッキング検出方法の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a knocking detection device and a knocking detection method for an internal combustion engine that can detect knocking with high accuracy and low load.
本発明による内燃機関のノッキング検出装置は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関のノッキング検出装置において、燃焼室内の筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段を用いて所定クランク角ごとに取得される筒内圧力に基づいて熱発生率の変化度合を算出する演算手段と、演算手段によって算出される熱発生率の変化度合に基づいてノッキングの有無を判定する判定手段と、筒内圧力を取得するタイミングを燃焼サイクルごとに変化させる手段とを備えることを特徴とする。 The knock detection device for an internal combustion engine according to the present invention is a knock detection device for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and detects the in-cylinder pressure in the combustion chamber. Means, calculating means for calculating the degree of change in heat release rate based on the in-cylinder pressure acquired for each predetermined crank angle using the in-cylinder pressure detecting means, and the degree of change in heat release rate calculated by the calculating means. It is characterized by comprising determination means for determining the presence or absence of knocking based on, and means for changing the timing for acquiring the in-cylinder pressure for each combustion cycle.
また、内燃機関は、燃焼室を複数備えており、筒内圧力を取得するタイミングが複数の燃焼室間で変化させられると好ましい。 The internal combustion engine preferably includes a plurality of combustion chambers, and the timing for acquiring the in-cylinder pressure is preferably changed between the plurality of combustion chambers.
更に、筒内圧力を取得するタイミングの変化量は、想定されるノッキングの発生期間よりも短いと好ましい。 Furthermore, it is preferable that the amount of change in the timing for acquiring the in-cylinder pressure is shorter than the assumed knocking occurrence period.
また、演算手段は、筒内圧検出手段を用いて取得された筒内圧力と、当該筒内圧力の取得時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて熱発生率の変化度合を算出すると好ましい。 The computing means is based on a control parameter that is the product of the in-cylinder pressure acquired using the in-cylinder pressure detecting means and a value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of acquisition of the in-cylinder pressure by a predetermined exponent. It is preferable to calculate the degree of change in the heat release rate.
本発明による内燃機関のノッキング検出方法は、燃料および空気の混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関のノッキング検出方法において、(a)燃焼室内の筒内圧力を所定クランク角ごとに取得するステップと、(b)ステップ(a)で取得された筒内圧力に基づいて熱発生率の変化度合を算出するステップと、(c)ステップ(b)で算出された熱発生率に基づいてノッキングの有無を判定するステップとを含み、筒内圧力を取得するタイミングを燃焼サイクルごとに変化させることを特徴とする。 The knock detection method for an internal combustion engine according to the present invention is a knock detection method for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a combustion chamber. (B) calculating the degree of change in the heat generation rate based on the in-cylinder pressure acquired in step (a), and (c) the heat generation rate calculated in step (b). And determining the presence or absence of knocking based on this, and changing the timing for acquiring the in-cylinder pressure for each combustion cycle.
また、内燃機関は、燃焼室を複数備えており、筒内圧力を取得するタイミングを複数の燃焼室間で変化させると好ましい。更に、筒内圧力を取得するタイミングの変化量を、想定されるノッキングの発生期間よりも短くすると好ましい。そして、ステップ(b)では、筒内圧力と、当該筒内圧力の取得時における筒内容積を所定の指数で累乗した値との積である制御パラメータに基づいて熱発生率の変化度合を算出すると好ましい。 Further, the internal combustion engine includes a plurality of combustion chambers, and it is preferable to change the timing for acquiring the in-cylinder pressure between the plurality of combustion chambers. Furthermore, it is preferable that the amount of change in the timing for acquiring the in-cylinder pressure be shorter than the expected knocking occurrence period. In step (b), the degree of change in the heat release rate is calculated based on a control parameter that is the product of the in-cylinder pressure and the value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of acquisition of the in-cylinder pressure by a predetermined index. It is preferable.
本発明によれば、低負荷で精度よくノッキングを検出可能とする内燃機関のノッキング検出装置およびノッキング検出方法の実現が可能となる。 According to the present invention, it is possible to realize a knocking detection device and a knocking detection method for an internal combustion engine that can detect knocking accurately with low load.
本発明者は、筒内圧検出手段を用いて所定クランク角ごとに取得される筒内圧力に基づいて、取得した筒内圧力に基づいて熱発生率の変化度合を算出すると共に、算出した熱発生率の変化度合に基づいてノッキングの有無を判定する際に、演算負荷を低減させると共に、ノッキングの検出精度を向上させるべく鋭意研究を行った。そして、研究の結果、本発明者は、筒内圧力を取得(サンプリング)するタイミングに着目するに至った。 The inventor calculates the degree of change in the heat release rate based on the acquired in-cylinder pressure based on the in-cylinder pressure acquired for each predetermined crank angle using the in-cylinder pressure detecting means, and calculates the calculated heat generation. When determining the presence or absence of knocking based on the rate of change in rate, we conducted intensive research to reduce the computational load and improve the detection accuracy of knocking. As a result of research, the present inventor came to pay attention to the timing for acquiring (sampling) the in-cylinder pressure.
すなわち、所定のクランク角(例えば6°)ごとに筒内圧力を取得し、取得した筒内圧力に基づいて熱発生率の変化度合を算出する場合、図1に示されるように、筒内圧力を取得するタイミングと、燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致すれば、筒内圧力に基づいて算出される所定のタイミングにおける熱発生率の変化度合(図1において実線で示される2つの計測点間の傾き参照)は、ノッキングが発生していない場合における熱発生率の変化度合(図1において一点鎖線で示される2つの計測点間の傾き参照)と大きく異なることになるので、上記熱発生率の変化度合を用いてノッキングの有無を判定することが可能となる。 That is, when the in-cylinder pressure is acquired at every predetermined crank angle (for example, 6 °) and the degree of change in the heat release rate is calculated based on the acquired in-cylinder pressure, as shown in FIG. 1 and the timing at which knocking occurs in the combustion chamber are in good agreement, the degree of change in the heat generation rate at a predetermined timing calculated based on the in-cylinder pressure (the two shown by the solid line in FIG. 1). Since the change in the heat generation rate when knocking has not occurred (refer to the inclination between two measurement points indicated by a one-dot chain line in FIG. 1), It is possible to determine the presence or absence of knocking using the degree of change in the heat generation rate.
これに対して、図2に示されるように、筒内圧力を取得するタイミングと、燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致しない場合、筒内圧力に基づいて算出される所定のタイミングにおける熱発生率の変化度合(図2において実線で示される2つの計測点間の傾き参照)は、ノッキングが発生していない場合における熱発生率の変化度合(図2において一点鎖線で示される2つの計測点間の傾き参照)と殆ど変わらなくなることがあり、これでは、上記熱発生率の変化度合を用いてノッキングの有無を判定することは困難となる。 On the other hand, as shown in FIG. 2, when the timing at which the in-cylinder pressure is acquired does not match well with the timing at which knocking occurs in the combustion chamber, at a predetermined timing calculated based on the in-cylinder pressure. The degree of change in the heat generation rate (see the slope between two measurement points indicated by the solid line in FIG. 2) is the degree of change in the heat generation rate when knocking has not occurred (the two changes indicated by the one-dot chain line in FIG. 2). In this case, it is difficult to determine the presence or absence of knocking using the degree of change in the heat generation rate.
これらの点を踏まえて、本発明では、熱発生率の変化度合の算出のために筒内圧力を取得するタイミングが燃焼サイクルごとに変化させられる。これにより、上記所定クランク角、すなわち、筒内圧力のサンプリング周期を必要以上に短くしなくても、筒内圧力を取得するタイミングと、燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率を増加させることができる。従って、本発明によれば、低負荷で精度よく内燃機関のノッキングを検出することが可能となる。 In consideration of these points, in the present invention, the timing for acquiring the in-cylinder pressure for calculating the degree of change in the heat release rate is changed for each combustion cycle. As a result, even if the predetermined crank angle, i.e., the in-cylinder pressure sampling period, is not shortened more than necessary, the timing at which the in-cylinder pressure is acquired and the timing at which knocking occurs in the combustion chamber are well matched. Can be increased. Therefore, according to the present invention, it is possible to detect knocking of the internal combustion engine with low load and high accuracy.
また、熱発生率の変化度合の算出のために筒内圧力を取得するタイミングは、複数の燃焼室間で変化させられると好ましい。これにより、ある燃焼室に関しては、筒内圧力を取得するタイミングと燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとが合致しなくても、他の燃焼室において両タイミングをうまく合致させることができるようになる。従って、かかる構成によれば、筒内圧力を取得するタイミングと、燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率をより一層増加させて、ノッキングの検出精度を向上させることができる。更に、熱発生率の変化度合の算出のために筒内圧力を取得するタイミングの変化量は、想定されるノッキングの発生期間よりも短くされるとよい。これにより、筒内圧力を取得するタイミングと、燃焼室内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率をより一層増加させることが可能となる。 Moreover, it is preferable that the timing for acquiring the in-cylinder pressure for calculating the degree of change in the heat generation rate is changed between the plurality of combustion chambers. As a result, with respect to a certain combustion chamber, even if the timing for acquiring the in-cylinder pressure does not match the timing at which knocking occurs in the combustion chamber, both timings can be matched well in the other combustion chambers. . Therefore, according to such a configuration, it is possible to further increase the probability that the timing at which the in-cylinder pressure is acquired and the timing at which knocking occurs in the combustion chamber match well, thereby improving the knocking detection accuracy. Furthermore, the amount of change in the timing at which the in-cylinder pressure is acquired for calculating the degree of change in the heat generation rate may be made shorter than the expected knocking generation period. As a result, it is possible to further increase the probability that the timing at which the in-cylinder pressure is acquired and the timing at which knocking occurs in the combustion chamber match well.
一方、本発明者は、上述の熱発生率やその変化度合を低負荷で算出すべく更に研究を行い、その過程で、筒内圧検出手段を用いて取得された筒内圧力と、当該筒内圧力の取得時における筒内容積とに基づいて算出される制御パラメータに着目した。より詳細には、本発明者は、クランク角がθである際に筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力をP(θ)とし、クランク角がθである際の筒内容積をV(θ)とし、比熱比をκとした場合に、筒内圧力P(θ)と、筒内容積V(θ)を比熱比(所定の指数)κで累乗した値Vκ(θ)との積として得られる制御パラメータP(θ)・Vκ(θ)(以下、適宜「PVκ」と記す)に着目した。そして、本発明者は、クランク角に対する内燃機関の筒内における熱発生量Qの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータPVκの変化パターンとが、図3に示されるような相関を有していることを見出した。ただし、図3において、−360°,0°および360°は、上死点に、−180°および180°は、下死点に対応する。 On the other hand, the present inventor conducted further research to calculate the heat generation rate and the degree of change thereof at a low load, and in the process, the in-cylinder pressure acquired using the in-cylinder pressure detecting means, and the in-cylinder pressure The control parameters calculated based on the in-cylinder volume at the time of pressure acquisition were noted. More specifically, the present inventor sets P (θ) as the in-cylinder pressure acquired using the in-cylinder pressure detection means when the crank angle is θ, and the in-cylinder volume when the crank angle is θ. When V (θ) and the specific heat ratio are κ, the in-cylinder pressure P (θ) and the value V κ (θ) obtained by raising the in-cylinder volume V (θ) to a specific heat ratio (predetermined index) κ The control parameter P (θ) · V κ (θ) (hereinafter referred to as “PV κ ” as appropriate) obtained as the product of Then, the present inventor has a correlation between the change pattern of the heat generation amount Q in the cylinder of the internal combustion engine with respect to the crank angle and the change pattern of the control parameter PV κ with respect to the crank angle as shown in FIG. I found out. In FIG. 3, −360 °, 0 °, and 360 ° correspond to the top dead center, and −180 ° and 180 ° correspond to the bottom dead center.
図3において、実線は、所定のモデル気筒において所定の微小クランク角ごとに取得された筒内圧力と、当該筒内圧力の取得時における筒内容積を所定の比熱比κで累乗した値との積である制御パラメータPVκをプロットしたものである。また、図3において、破線は、上記モデル気筒における熱発生量Qを、熱発生率を示す次の(1)式に基づき、Q=∫dQとして算出・プロットしたものである。なお、何れの場合も、簡単のために、κ=1.32とした。 In FIG. 3, the solid line shows the in-cylinder pressure acquired for each predetermined minute crank angle in a predetermined model cylinder, and the value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of acquisition of the in-cylinder pressure by a predetermined specific heat ratio κ. This is a plot of the control parameter PV κ which is the product. In FIG. 3, the broken line is calculated and plotted with the heat generation amount Q in the model cylinder as Q = ∫dQ based on the following equation (1) indicating the heat generation rate. In either case, for simplicity, κ = 1.32.
図3に示される結果からわかるように、クランク角に対する熱発生量Qの変化パターンと、クランク角に対する制御パラメータPVκの変化パターンとは、概ね一致(相似)しており、特に、筒内の混合気の燃焼開始(火花点火時または圧縮着火時)の前後(例えば、図3における約−180°から約135°までの範囲)では、熱発生量Qの変化パターンと、制御パラメータPVκの変化パターンとは極めて良好に一致することがわかる。 As can be seen from the results shown in FIG. 3, the change pattern of the heat generation amount Q with respect to the crank angle and the change pattern of the control parameter PV κ with respect to the crank angle are substantially the same (similar), and in particular, Before and after the start of combustion of the air-fuel mixture (at the time of spark ignition or compression ignition) (for example, a range from about −180 ° to about 135 ° in FIG. 3), the change pattern of the heat generation amount Q and the control parameter PV κ It can be seen that the change pattern matches very well.
本発明では、このような熱発生量Qと制御パラメータPVκとの相関を利用し、筒内圧検出手段を用いて取得される筒内圧力と、当該筒内圧力の取得時における筒内容積とから算出される制御パラメータPVκに基づいて、熱発生率dQ/dθ(以下、制御パラメータPVκを用いて算出したことを表すため、適宜「d(PVκ)」と示す)が求められる。すなわち、制御パラメータPVκを用いれば、任意のタイミング(クランク角=θとなるタイミング)における熱発生率は、所定の2点間(微小クランク角δ間)における制御パラメータPVκの差分として、すなわち、 In the present invention, using the correlation between the heat generation amount Q and the control parameter PV κ , the in-cylinder pressure acquired using the in-cylinder pressure detecting means, the in-cylinder volume at the time of acquiring the in-cylinder pressure, and based on the control parameter PV kappa calculated from the heat generation rate dQ / d [theta] (hereinafter, to indicate that calculated using the control parameter PV kappa, appropriately referred to as "d (PV kappa)") is obtained. That is, if the control parameter PV κ is used, the heat generation rate at an arbitrary timing (timing at which the crank angle = θ) is obtained as a difference between the control parameters PV κ between two predetermined points (between the minute crank angles δ), that is, ,
として表される。 Represented as:
ここで、図4において、実線は、上述のモデル気筒においてクランク角=θとなるタイミングにおける熱発生率d(PVκ)を制御パラメータPVκに基づいて算出し、プロットしたものである。ただし、簡単のために、κ=1.32とし、δ=1°(1CA)とした。また、図4において、破線は、上述のモデル気筒においてクランク角=θとなるタイミングにおける熱発生率dQ/dθを、上記(1)式に従うと共に筒内圧力P(θ)に基づいて算出し、プロットしたものである。この場合も、簡単のために、κ=1.32とした。図4からわかるように、クランク角に対するd(PVκ)の変化パターン(同図における実線参照)は、(1)式に基づいて求められる熱発生率dQ/dθのクランク角に対する変化パターン(同図における破線参照)とほぼ一致(相似)している。従って、制御パラメータPVκを用いれば、燃焼室における熱発生率およびその変化度合を高負荷な演算処理を要することなく精度よく得ることができる。なお、クランク角=θとなるタイミングにおける熱発生率dQ/dθ〔d(PVκ)〕は、熱発生量Qをエネルギ変化率へ変換するための変換係数αを用いて、 Here, in FIG. 4, the solid line represents the heat generation rate d (PV κ ) at the timing when the crank angle = θ in the model cylinder described above, calculated based on the control parameter PV κ and plotted. However, for simplicity, κ = 1.32 and δ = 1 ° (1 CA). In FIG. 4, the broken line calculates the heat generation rate dQ / dθ at the timing when the crank angle = θ in the model cylinder described above, based on the above equation (1) and based on the in-cylinder pressure P (θ), It is a plot. Also in this case, for simplicity, κ = 1.32. As can be seen from FIG. 4, the change pattern of d (PV κ ) with respect to the crank angle (see the solid line in FIG. 4) is a change pattern of the heat release rate dQ / dθ obtained based on the equation (1) (see FIG. 4). It almost coincides (similar) with the broken line in the figure. Therefore, if the control parameter PV κ is used, the heat generation rate and the degree of change in the combustion chamber can be accurately obtained without requiring high-load calculation processing. Note that the heat generation rate dQ / dθ [d (PV κ )] at the timing when the crank angle = θ is obtained by using the conversion coefficient α for converting the heat generation amount Q into the energy change rate.
として表されてもよい。 May be represented as
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について具体的に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図5は、本発明によるノッキング検出装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関1は、シリンダブロック2に形成された燃焼室3の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室3内でピストン4を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図5には1気筒のみが示されるが、内燃機関1は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関1は、4気筒エンジンとして構成される。
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an internal combustion engine to which the knocking detection device according to the present invention is applied. The
各燃焼室3の吸気ポートは、吸気マニホールドを介して吸気管5に接続され、各燃焼室3の排気ポートは、排気マニホールドを介して排気管6に接続されている。また、内燃機関1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Viと、排気ポートを開閉する排気弁Veとが燃焼室3ごとに配設されている。各吸気弁Viおよび各排気弁Veは、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構(図示省略)によって開閉させられる。更に、内燃機関1は、気筒数に応じた数の点火プラグ7を有し、点火プラグ7は、対応する燃焼室3内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。
The intake port of each
吸気管5は、図5に示されるように、サージタンク8に接続されている。サージタンク8には、給気管L1が接続されており、給気管L1は、エアクリーナ9を介して図示されない空気取入口に接続されている。そして、給気管L1の中途(サージタンク8とエアクリーナ9との間)には、スロットルバルブ(本実施形態では、電子制御式スロットルバルブ)10が組み込まれている。一方、排気管6には、図5に示されるように、三元触媒を含む前段触媒装置11aおよびNOx吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置11bが接続されている。
The
更に、内燃機関1は、図5に示されるように、複数のインジェクタ12を有し、インジェクタ12は、対応する燃焼室3内に臨むようにシリンダヘッドに配設されている。また、内燃機関1の各ピストン4は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部4aが形成されている。そして、内燃機関1では、各燃焼室3内に空気を吸入させた状態で、各インジェクタ12から各燃焼室3内のピストン4の凹部4aに向けてガソリン等の燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関1では、点火プラグ7の近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成(成層化)されるので、極めて希薄な混合気を用いて安定した成層燃焼を実行することが可能となる。なお、本実施形態の内燃機関1は、いわゆる直噴エンジンとして説明されるが、これに限られるものではなく、本発明が吸気管(吸気ポート)噴射式の内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。また、本発明がディーゼルエンジンに適用され得ることはいうまでもない。
Further, as shown in FIG. 5, the
上述の各点火プラグ7、スロットルバルブ10、各インジェクタ12および動弁機構等は、内燃機関1の制御装置として機能するECU20に電気的に接続されている。ECU20は、何れも図示されないCPU、ROM、RAM、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ECU20には、吸入空気量を検出するエアフローメータAFM等の各種センサがA/D変換器等を介して電気的に接続されている。ECU20は、記憶装置に記憶されている各種マップ等を用いると共に各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ7、スロットルバルブ10、インジェクタ12、動弁機構等を制御する。
Each of the
図5に示されるように、ECU20に接続されるセンサ類には、クランク角センサ14が含まれる。クランク角センサ14は、クランクシャフトに固定されるロータプレート(シグナルプレート)等を含む磁気センサまたは光電式センサ等であり、クランクシャフトの回転角度を示すパルス信号を微小時間ごとにECU20に与える。また、内燃機関1は、半導体素子、圧電素子あるいは光ファイバ検出素子等を含む筒内圧センサ(筒内圧検出手段)15を気筒数に応じた数だけ有している。各筒内圧センサ15は、対応する燃焼室3内に受圧面が臨むようにシリンダヘッドに配設されており、それぞれ、A/D変換器16を介してECU20に電気的に接続されている。各筒内圧センサ15は、燃焼室3内でその受圧面に加わる圧力(筒内圧力)に応じた電圧信号(検出値を示す信号)を出力する。そして、本発明では、これらの筒内圧センサ15およびECU20等により、内燃機関1の燃焼室3におけるノッキングを検出するノッキング検出装置が構成される。
As shown in FIG. 5, the sensors connected to the
次に、図6〜図8を参照しながら、上述の内燃機関1の各燃焼室3におけるノッキングを検出する手順について説明する。
Next, a procedure for detecting knocking in each
内燃機関1が始動されると、ECU20は、ノッキングの検出のためのパラメータであるAD変換実行間隔Tad(本実施形態では、例えば6°)、およびタイミング変化率Nrを読み出すと共に、タイミング設定フラグを初期値(この場合「0」)に設定する。AD変換実行間隔Tadは、実用性を考慮して、本実施形態では例えば6°とされる。また、タイミング変化率Nrは、想定されるノッキングの発生期間Tnとしたときに、Tn≧Tad/Nrを満たすように定められ、本実施形態では、例えば「2」とされる。そして、ECU20は、図6に示されるように、クランク角センサ14からの信号に基づいて、ノック判定期間が到来している燃焼室3を判別する(S10)。
When the
本実施形態において、ノック判定期間は、各燃焼室3について概ね圧縮上死点から膨張下死点までの間と定められている。すなわち、第1の燃焼室3(以下、「1番気筒#1」という)のノック判定期間は、クランク角が概ね0°〜180°となる範囲とされ、第3の燃焼室3(以下、「3番気筒#3」という)のノック判定期間は、クランク角が概ね180°〜360°となる範囲とされる。また、第4の燃焼室3(以下、「4番気筒#4」という)のノック判定期間は、クランク角が概ね360°〜540°となる範囲とされ、第2の燃焼室3(以下、「2番気筒#2」という)のノック判定期間は、クランク角が概ね540°〜720°となる範囲とされる。
In the present embodiment, the knock determination period is generally determined between the compression top dead center and the expansion bottom dead center for each
ECU20は、S12にて、クランク角センサ14からの信号に基づいて1番気筒#1がノック判定期間にあると判別すると、更に、クランク角センサ14からの信号に基づいて1番気筒#1においてピストン4が圧縮上死点にあるか否か(クランク角が0°となっているか否か)判定する(S14)。1番気筒#1においてピストン4が圧縮上死点にあると判断すると、ECU20は、タイミング設定フラグを前回値から反転させる(S16)。すなわち、ECU20は、内燃機関1の始動直後であれば、タイミング設定フラグを「0」から「1」に設定し、タイミング設定フラグが「1」である場合、それを「0」に設定する。
When the
S16の処理を実行とすると、ECU20は、タイミング設定フラグが「1」であるか否か判定を行う(S18)。ECU20は、S18にてタイミング設定フラグが「1」であると判断すると、AD変換開始時期Tadstを「0°」とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=0°として設定する(S20)。一方、S18にてタイミング設定フラグが「1」ではなく、「0」であると判断すると、ECU20は、AD変換開始時期Tadstを、Tadst=(Tad/Nr)°(本実施形態では、3°)とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=3°として設定する(S22)。
When the process of S16 is executed, the
その後、ECU20は、S20またはS22にて設定されたAD変換実行時期Tadrに従って、1番気筒#1用のAD変換器16に、1番気筒#1の筒内圧センサ15からの信号に対するAD変換処理を実行させ(S24)、それにより得られたAD変換実行時期Tadr(この時点におけるクランク角をθkとする。ただしkは、1以上の整数である。)における1番気筒#1の筒内圧力の値P(θk)に基づいて、ノック判定ルーチン(S26)を実行する。
Thereafter, the
図8は、ノック判定ルーチンを説明するためのフローチャートである。同図に示されるように、ノック判定に際して、ECU20は、まず、AD変換実行時期Tadr(クランク角がθkとなった時点)における1番気筒#1の筒内圧力の値P(θk)を取得し(S260)、更に、上記(3)式を用いて、AD変換実行時期Tadrにおける熱発生率dQ/ds(θk)を、dQ/ds(θk)=α・P(θk)・Vκ(θk)として算出する(S261)。このように、上述の制御パラメータPVκを用いれば、熱発生率dQ/ds(θk)およびその変化度合を高負荷な演算処理を要することなく精度よく把握することが可能となる。
FIG. 8 is a flowchart for explaining the knock determination routine. As shown in the figure, when the knock determination,
そして、ECU20は、S261で算出した熱発生率dQ/ds(θk)と、前回算出した熱発生率dQ/ds(θk−1)との偏差をとることにより、前回および今回のAD変換実行時期Tadr同士間における熱発生率の変化度合を算出し、熱発生率の変化度合{dQ/ds(θk)−dQ/ds(θk−1)}が予め定められた閾値βを下回っているか否か判定する(S262)。ただし、k=1の場合、dQ/ds(θk−1)=0である。また、閾値βは、ノッキングが発生していない場合における熱発生率の変化度合に基づいて定められる値であり、例えば、−0.03とされる。
Then, the
S262にて、熱発生率の変化度合{dQ/ds(θk)−dQ/ds(θk−1)}が閾値βを下回っていると判断されるということは、当該AD変換実行時期Tadr(筒内圧力P(θk)の取得時)付近における熱発生率の変動が急峻であり、許容範囲から外れていることを示す。従って、ECU20は、S262にて肯定判断を行った場合、1番気筒#1おいてノッキングが発生していると判断する(S263)。一方、変化度合{dQ/ds(θk)−dQ/ds(θk−1)}が閾値βを下回っていないと判断されるということは、当該AD変換実行時期Tadr付近における熱発生率の変動が許容範囲内にあることになる。従って、ECU20は、S262にて否定判断を行った場合、1番気筒#1おいてノッキングが発生していないと判断する(S264)。S263またはS264における判断後、ECU20は、S261で算出した熱発生率dQ/ds(θk)によって前回の熱発生率dQ/ds(θk−1)を置き換えた上で(S265)、ノック判定ルーチンを一旦終了させる。
In S262, it is determined that the degree of change in heat release rate {dQ / ds (θ k ) −dQ / ds (θ k−1 )} is lower than the threshold value β. It shows that the fluctuation of the heat generation rate in the vicinity (at the time of obtaining the in-cylinder pressure P (θ k )) is steep and deviates from the allowable range. Therefore, when the
図6に示されるように、ノック判定ルーチン(S26)の実行後、ECU20は、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadr+Tadとして設定し(S28)、再度、S10以降の処理を実行する。この際、1番気筒#1がノック判定期間にある場合であっても、S14にてピストン4が圧縮上死点にあると判断されなければ、S16からS22までの処理はスキップされる。従って、上述のように、S20の処理が一旦実行された場合、1番気筒#1については、クランク角が0°となる時点から180°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S24)およびノック判定ルーチン(S26)が実行されることになる。また、S22の処理が一旦実行された場合、1番気筒#1については、クランク角が3°となる時点から177°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S24)およびノック判定ルーチン(S26)が実行されることになる。
As shown in FIG. 6, after the execution of the knock determination routine (S26), the
1番気筒#1についてのノック判定が終了すると、本実施形態では、3番気筒#3についてノック判定期間が到来することになる。ECU20は、S30にて、クランク角センサ14からの信号に基づいて3番気筒#3がノック判定期間にあると判別すると、更に、クランク角センサ14からの信号に基づいて3番気筒#3においてピストン4が圧縮上死点にあるか否か(クランク角が180°となっているか否か)判定する(S32)。
When the knock determination for the
3番気筒#3においてピストン4が圧縮上死点にあると判断すると(S32)、ECU20は、タイミング設定フラグが「1」であるか否か判定を行う(S34)。ECU20は、S34にてタイミング設定フラグが「1」であると判断すると、AD変換開始時期Tadstを、Tadst=(180+Tad/Nr)°(本実施形態では、183°)とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=183°として設定する(S36)。一方、S34にてタイミング設定フラグが「1」ではなく、「0」であると判断すると、ECU20は、AD変換開始時期Tadstを「180°」とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=180°として設定する(S38)。
When it is determined that the
その後、ECU20は、S36またはS38にて設定されたAD変換実行時期Tadrに従って、3番気筒#3用のAD変換器16に、3番気筒#3の筒内圧センサ15からの信号に対するAD変換処理を実行させ(S40)、それにより得られたAD変換実行時期Tadr(この時点におけるクランク角をθkとする。ただしkは、1以上の整数である。)における3番気筒#3の筒内圧力の値P(θk)に基づいて、ノック判定ルーチン(S42)を実行する。S42のノック判定ルーチンは、図8に示されるS26のルーチンと同様のものである。
Thereafter, the
S42のノック判定ルーチン(S42)の実行後、ECU20は、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadr+Tadとして設定し(S44)、再度、S30以降の処理を実行する。この際、3番気筒#3がノック判定期間にある場合であっても、S32にてピストン4が圧縮上死点にあると判断されなければ、S34からS38までの処理はスキップされる。従って、上述のように、S36の処理が一旦実行された場合、3番気筒#3については、クランク角が183°となる時点から357°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S40)およびノック判定ルーチン(S42)が実行されることになる。また、S38の処理が一旦実行された場合、3番気筒#3については、クランク角が180°となる時点から360°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S40)およびノック判定ルーチン(S42)が実行されることになる。
After executing the knock determination routine (S42) of S42, the
3番気筒#3についてのノック判定が終了すると、本実施形態では、4番気筒#4についてノック判定期間が到来することになる。そして、4番気筒#4については、上述のS30,S32,S34,S36,S38,S40,S42,S44に順番に対応したS46,S48,S50,S52,S54,S56,S58,S60の処理(図7参照)が実行される。この場合、ECU20は、S50にてタイミング設定フラグが「1」であると判断すると、AD変換開始時期Tadstを「360°」とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=360°として設定する(S52)。一方、S50にてタイミング設定フラグが「1」ではなく、「0」であると判断すると、ECU20は、AD変換開始時期Tadstを、Tadst=(360+Tad/Nr)°(本実施形態では、363°)とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=363°として設定する(S54)。
When the knock determination for the
これにより、S52の処理が一旦実行された場合、4番気筒#4については、クランク角が360°となる時点から540°となる時点まで6°ごとに、AD変換処理(S56)およびノック判定ルーチン(S58)が実行されることになる。また、S54の処理が一旦実行された場合、4番気筒#4については、クランク角が363°となる時点から537°となる時点まで6°ごとに、AD変換処理(S56)およびノック判定ルーチン(S58)が実行されることになる。
Thereby, when the process of S52 is executed once, for the
そして、4番気筒#4についてのノック判定が終了すると、本実施形態では、2番気筒#2についてノック判定期間が到来することになる。2番気筒#2についても、上述のS32,S34,S36,S38,S40,S42,S44に順番に対応したS62,S64,S66,S68,S70,S72,S74の処理(図7参照)が実行される。この場合、ECU20は、S64にてタイミング設定フラグが「1」であると判断すると、AD変換開始時期Tadstを、Tadst=(540+Tad/Nr)°(本実施形態では、543°)とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=543°として設定する(S66)。一方、S64にてタイミング設定フラグが「1」ではなく、「0」であると判断すると、ECU20は、AD変換開始時期Tadstを「540°」とした上で、AD変換実行時期Tadrを、Tadr=Tadst=540°として設定する(S68)。
When the knock determination for the
これにより、S66の処理が一旦実行された場合、2番気筒#2については、クランク角が543°となる時点から717°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S70)およびノック判定ルーチン(S72)が実行されることになる。また、S68の処理が一旦実行された場合、4番気筒#4については、クランク角が540°となる時点から720°となる時点まで6°ごとにAD変換処理(S70)およびノック判定ルーチン(S72)が実行されることになる。4番気筒#4についてのノック判定が終了すると、本実施形態では、再度、1番気筒#1についてノック判定期間が到来することになり、以後、上述の1番気筒#1、3番気筒#3、4番気筒#4および2番気筒#2についてのノッキング判定が繰り返し実行される。
Thus, when the process of S66 is executed once, for the
さて、4番気筒#4についてのノック判定の終了後、再度、1番気筒#1についてノック判定期間が到来し、かつ、1番気筒#1においてピストン4が圧縮上死点に達すると、S16にてタイミング設定フラグが反転される。そして、内燃機関1の1番気筒#1では、タイミング設定フラグが反転されるたびに、AD変換開始時期Tadstが0°とTad/Nr=3°との間で変化させられ、それに伴って、S28で設定されるAD変換実行時期Tadrも変化する。
After the knock determination for the
同様に、3番気筒#3では、タイミング設定フラグが反転されるたびに、AD変換開始時期Tadstが183°と180°との間で変化させられ、それに伴って、S44で設定されるAD変換実行時期Tadrも変化する。また、4番気筒#4では、タイミング設定フラグが反転されるたびに、AD変換開始時期Tadstが360°と3630°との間で変化させられ、それに伴って、S60で設定されるAD変換実行時期Tadrも変化する。更に、2番気筒#2では、タイミング設定フラグが反転されるたびに、AD変換開始時期Tadstが543°と540°との間で変化させられ、それに伴って、S74で設定されるAD変換実行時期Tadrも変化する。
Similarly, in the
ここで、S16にてタイミング設定フラグが反転されるのは、1番気筒#1がノック判定期間にあり、かつ、1番気筒#1においてピストン4が圧縮上死点に達したときであるから、1回の燃焼サイクル中に、1回だけタイミング設定フラグが反転される。すなわち、内燃機関1では、熱発生率dQ/ds(θk)の変化度合の算出のために筒内圧力を取得するタイミングであるAD変換実行時期Tadrが燃焼サイクルごとにTad/Nr=3°だけ変化させられる(ずらされる)。これにより、筒内圧力のサンプリング周期であるAD変換実行間隔Tadを必要以上に短くしなくても、筒内圧力P(θk)を取得するタイミング(AD変換実行時期Tadr)と、燃焼室3内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率を増加させることができる。従って、本発明によれば、S26,S42,S58,S72のノック判定ルーチンにおいて低負荷で精度よく内燃機関1のノッキングを検出することが可能となる。
Here, the timing setting flag is inverted in S16 because the
また、上述のように、タイミング設定フラグが「1」である場合、1番気筒#1については、クランク角が0°となる時点から180°となる時点まで、3番気筒#3については、クランク角が183°となる時点から357°となる時点まで、4番気筒#4については、クランク角が360°となる時点から540°となる時点まで、2番気筒#2については、クランク角が543°となる時点から717°となる時点まで、6°ごとにAD変換処理およびノック判定ルーチンが実行される。
As described above, when the timing setting flag is “1”, for the
一方、タイミング設定フラグが「0」である場合、1番気筒#1については、クランク角が3°となる時点から177°となる時点まで、3番気筒#3については、クランク角が180°となる時点から360°となる時点まで、4番気筒#4については、クランク角が363°となる時点から537°となる時点まで、2番気筒#2については、クランク角が540°となる時点から720°となる時点まで、6°ごとにAD変換処理およびノック判定ルーチンが実行される。
On the other hand, when the timing setting flag is “0”, for the
すなわち、内燃機関1の1番気筒#1と3番気筒#3との間では、熱発生率dQ/ds(θk)の変化度合の算出のために筒内圧力P(θk)を取得するタイミングであるAD変換実行時期Tadrが圧縮上死点を基準としてTad/Nr=3°だけ変化させられる(ずらされる)。同様に、内燃機関1の4番気筒#4と2番気筒#2との間でも、熱発生率dQ/ds(θk)の変化度合の算出のために筒内圧力P(θk)を取得するタイミングであるAD変換実行時期Tadrが圧縮上死点を基準として3°だけ変化させられる(ずらされる)。
That is, the in-cylinder pressure P (θ k ) is acquired between the
これにより、一方の燃焼室3(例えば1番気筒#1)に関しては、筒内圧力P(θk)を取得するタイミング(AD変換実行時期Tadr)と燃焼室3内でノッキングが発生するタイミングとが合致しなくても、他方の燃焼室3(例えば3番気筒#3)において両タイミングをうまく合致させることができるようになる。従って、内燃機関1では、筒内圧力P(θk)を取得するタイミング(AD変換実行時期Tadr)と、燃焼室3内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率をより一層増加させて、ノッキングの検出精度を向上させることができる。
Accordingly, with respect to one combustion chamber 3 (for example, the first cylinder # 1), the timing (AD conversion execution timing Tadr) for acquiring the in-cylinder pressure P (θ k ) and the timing at which knocking occurs in the
そして、燃焼サイクルごとに、および、燃焼室3同士の間(1番気筒#1と3番気筒#3との間、および4番気筒#4と2番気筒#2との間)で熱発生率dQ/ds(θk)の変化度合の算出のために筒内圧力P(θk)を取得するタイミング(AD変換実行時期Tadr)を変化させる量(本実施形態では、Tad/Nr=3°)は、想定されるノッキングの発生期間(例えば5°)よりも短くされると好ましい。これにより、筒内圧力P(θk)を取得するタイミングと、燃焼室3内でノッキングが発生するタイミングとがうまく合致する確率をより一層増加させることが可能となる。
Then, heat is generated for each combustion cycle and between the combustion chambers 3 (between the
1 内燃機関
3 燃焼室
4 ピストン
7 点火プラグ
12 インジェクタ
14 クランク角センサ
15 筒内圧センサ
20 ECU
Ve 排気弁
Vi 吸気弁
1
Ve Exhaust valve Vi Intake valve
Claims (8)
前記燃焼室内の筒内圧力を取得するための筒内圧検出手段と、
前記筒内圧検出手段を用いて所定クランク角ごとに取得される筒内圧力に基づいて、熱発生率の変化度合を算出する演算手段と、
前記演算手段によって算出される前記熱発生率の変化度合に基づいてノッキングの有無を判定する判定手段と、
前記筒内圧力を取得するタイミングを燃焼サイクルごとに変化させる手段とを備えることを特徴とする内燃機関のノッキング検出装置。 In a knocking detection device for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a combustion chamber,
In-cylinder pressure detecting means for acquiring the in-cylinder pressure in the combustion chamber;
Calculation means for calculating the degree of change in the heat release rate based on the in-cylinder pressure obtained for each predetermined crank angle using the in-cylinder pressure detection means;
Determining means for determining the presence or absence of knocking based on the degree of change in the heat generation rate calculated by the calculating means;
And a means for changing the timing for obtaining the in-cylinder pressure for each combustion cycle.
(a)前記燃焼室内の筒内圧力を所定クランク角ごとに取得するステップと、
(b)ステップ(a)で取得された筒内圧力に基づいて熱発生率の変化度合を算出するステップと、
(c)ステップ(b)で算出された前記熱発生率の変化度合に基づいてノッキングの有無を判定するステップとを含み、
前記筒内圧力を取得するタイミングを燃焼サイクルごとに変化させることを特徴とする内燃機関のノッキング検出方法。 In a knocking detection method for an internal combustion engine that generates power by burning a mixture of fuel and air in a combustion chamber,
(A) obtaining in-cylinder pressure in the combustion chamber for each predetermined crank angle;
(B) calculating the degree of change in the heat release rate based on the in-cylinder pressure acquired in step (a);
(C) determining the presence or absence of knocking based on the degree of change in the heat release rate calculated in step (b),
A method for detecting knocking of an internal combustion engine, wherein timing for acquiring the in-cylinder pressure is changed for each combustion cycle.
In step (b), the degree of change in the heat release rate is calculated based on a control parameter that is the product of the in-cylinder pressure and a value obtained by raising the in-cylinder volume at the time of acquisition of the in-cylinder pressure by a predetermined index. The knock detection method for an internal combustion engine according to any one of claims 5 to 7.
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JP2007170345A (en) * | 2005-12-26 | 2007-07-05 | Toyota Motor Corp | Combustion abnormality detection device for internal combustion engine |
WO2019082384A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社 | Knock detection method and knock detection device |
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2004
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