JP2006299995A - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノッキングが発生したか否かを精度よく判定する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、振動波形を検出するために、振動の強度を表す値をクランク角で５度ごとに積算した値（積算値）を周波数帯ごとに算出するステップ（Ｓ１０２）と、各周波数帯の振動に、ノイズ成分の振動が含まれているか否かを判別するステップ（Ｓ１０４）と、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯の振動波形およびノック波形モデルを合成するステップ（Ｓ１０６）と、合成された振動波形と合成されたノック波形モデルとを比較した結果に基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１１４）と、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定するステップ（Ｓ１１８）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定する内燃機関のノッキング判定装置に関する。

従来より、内燃機関のノッキングを検出する技術が知られている。特開２００１−２２７４００号公報（特許文献１）は、ノッキングの発生の有無を正確に判定することができる内燃機関用ノック制御装置を開示する。特許文献１に記載の内燃機関用ノック制御装置は、内燃機関で発生する振動波形信号を検出する信号検出部と、信号検出部で検出された振動波形信号が予め定められた値以上となる期間を発生期間として検出する発生期間検出部と、発生期間検出部で検出された発生期間におけるピーク位置を検出するピーク位置検出部と、発生期間とピーク位置との関係に基づき内燃機関におけるノック発生の有無を判定するノック判定部と、ノック判定部による判定結果に応じて内燃機関の運転状態を制御するノック制御部とを含む。ノック判定部は、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるときにはノック（ノッキング）発生有りと判定する。

この公報に記載の内燃機関用ノック制御装置によれば、内燃機関で発生する振動波形信号が信号検出部で検出され、その振動波形信号が予め定められた値以上となる発生期間とそのピーク位置とが発生期間検出部およびピーク位置検出部でそれぞれ検出される。このように、振動波形信号の発生期間のどの位置でピークが発生しているかが分かることで内燃機関におけるノック発生の有無がノック判定部にて判定され、このノック判定結果に応じて内燃機関の運転状態が制御される。ノック判定部では、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるとき、即ち、振動波形信号の予め定められた長さの発生期間に対してピーク位置が早めに現われるような波形形状であるときには、ノック発生時に特有のものであると認識される。これにより、内燃機関の運転状態が急変する過渡時や電気負荷のＯＮ／ＯＦＦ時においても、内燃機関におけるノック発生の有無が正確に判定され、内燃機関の運転状態を適切に制御することができる。
特開２００１−２２７４００号公報

ところで、近年においては、燃料噴射時期や吸排気バルブの開閉時期が負荷などに応じて変更される。そのため、ノッキングが発生する時期に、インジェクタや吸排気バルブの作動に起因する振動が発生し得る。この場合、検出される振動波形信号にはノッキングの振動波形信号と、インジェクタや吸排気バルブなどの内燃機関の部品の作動に起因する振動波形信号（ノイズ信号）とが重畳し得る。このような状態においては、ノッキングが発生しているにも関わらず、発生期間に対してピーク位置が遅めに現れ得る。この場合、特開２００１−２２７４００号公報に記載のノック制御装置においては、ノッキングが発生しているにも関わらず、ノッキングが発生していないと誤判定されるおそれがあるという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる内燃機関のノッキング発生装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、複数の周波数帯における内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための手段と、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を、各周波数帯について検出するための波形検出手段と、検出された複数の波形を合成するための第１の合成手段と、各周波数帯における内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、記憶された複数の波形を合成するための第２の合成手段と、検出された複数の波形を合成した波形と記憶された複数の波形を合成した波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第１の発明によると、複数の周波数帯における内燃機関の振動の強度に関する値が検出され、強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形が、各周波数帯について検出される。また、各周波数帯における内燃機関の振動の波形が予め記憶される。たとえば、検出された複数の波形のうち、内燃機関の部品に起因する振動（ピストンスラップ、インジェクタからの噴射、吸排気バルブの着座などの振動）を含む周波数帯以外の振動の波形が、第１の合成手段により合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。また、記憶された複数の波形のうち、第１の合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が第２の合成手段により合成される。検出された複数の波形を合成した波形と記憶された複数の波形を合成した波形とが比較され、内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、誤判定を抑制することができる。その結果、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる内燃機関のノッキング発生装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加え、第１の合成手段は、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段を含む。第２の合成手段は、記憶された複数の波形のうち、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形を合成するための手段を含む。

第２の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。また、記憶された複数の波形のうち、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成される。これらの波形が比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。

第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加え、第１の合成手段は、予め定められた第１のタイミングにおいて、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段と、予め定められた第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形を合成するための手段とを含む。第２の合成手段は、第１のタイミングにおいて、記憶された複数の波形のうち、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形を合成するための手段と、第２のタイミングにおいて、記憶された全ての波形を合成するための手段とを含む。

第３の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動が発生した第１のタイミングにおいて、検出された波形のうち、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。ノイズ成分の振動が発生していない第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形が合成される。また、第１のタイミングにおいて、記憶された複数の波形のうち、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成される。第２のタイミングにおいて、記憶された全ての波形が合成される。これらの波形が比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分の振動が発生したタイミングにおいては、ノイズ成分による誤判定を抑制し、ノイズ成分の振動が発生していないタイミングにおいては、検出された全ての波形を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第３の発明の構成に加え、第１のタイミングは、内燃機関の予め定められた部品に起因する振動が発生したタイミングである。

第４の発明によると、ノイズ成分の振動が発生した第１のタイミングにおいて、検出された波形のうち、たとえばノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。ノイズ成分の振動が発生していない第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形が合成される。また、第１のタイミングにおいて、記憶された複数の波形のうち、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成される。第２のタイミングにおいて、記憶された全ての波形が合成される。これらの波形が比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分の振動が発生したタイミングにおいては、ノイズ成分による誤判定を抑制し、ノイズ成分の振動が発生していないタイミングにおいては、検出された全ての波形を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第２〜４のいずれかの発明の構成に加え、ノッキング判定装置は、複数の周波数帯のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯を特定するための特定手段をさらに含む。一部合成手段は、検出された複数の波形のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯以外の周波数帯の波形を合成するための手段を含む。

第５の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動を含むという条件を満たす周波数帯が特定される。このような周波数帯以外の周波数帯の波形が合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。

第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第５の発明の構成に加え、予め定められた条件は、内燃機関の予め定められた部品に起因する振動を含むという条件である。

第６の発明によると、ノイズ成分の振動を含むという条件を満たす周波数帯が特定される。このような周波数帯以外の周波数帯の波形が合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。

第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、複数の周波数帯における内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための手段と、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を、各周波数帯について検出するための波形検出手段と、検出された複数の波形を合成するための合成手段と、複数の周波数帯のいずれかの周波数帯の波形を合成した合成波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された複数の波形を合成した波形と合成波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第７の発明によると、複数の周波数帯における内燃機関の振動の強度に関する値が検出され、強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形が、各周波数帯について検出される。たとえば、検出された複数の波形のうち、内燃機関の部品に起因する振動（ピストンスラップ、インジェクタからの噴射、吸排気バルブの着座などの振動）を含む周波数帯以外の振動の波形が、第１の合成手段により合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。また、第１の合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形を合成した合成波形が予め記憶される。検出された複数の波形を合成した波形と記憶された合成波形とが比較され、内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、誤判定を抑制することができる。その結果、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる内燃機関のノッキング発生装置を提供することができる。

第８の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第７の発明の構成に加え、合成手段は、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段を含む。合成波形は、一部合成手段により合成された波形の周波数帯と同じ周波数帯の波形を合成した波形である。

第８の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。合成波形は、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成された波形である。これらの波形が比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。

第９の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第７の発明の構成に加え、合成手段は、予め定められた第１のタイミングにおいて、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段と、予め定められた第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形を合成するための全部合成手段とを含む。記憶手段は、一部合成手段により合成された波形の周波数帯と同じ周波数帯の波形を合成した第１の合成波形および複数の周波数帯の全ての周波数帯の波形を合成した第２の合成波形を予め記憶するための手段を含む。判定手段は、第１のタイミングにおいて、一部合成手段により合成された波形と第１の合成波形とを比較し、第２のタイミングにおいて、全部合成手段により合成された波形と第２の合成波形とを比較した結果に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。

第９の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動が発生した第１のタイミングにおいて、検出された波形のうち、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。ノイズ成分の振動が発生していない第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形が合成される。また、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成された第１の波形および複数の周波数帯の全ての周波数帯の振動の波形を合成した第２の波形が予め記憶される。第１のタイミングにおいては一部合成手段により合成された波形と第１の合成波形とが比較され、第２のタイミングにおいては全部合成手段により合成された波形と第２の合成波形とが比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分の振動が発生したタイミングにおいては、ノイズ成分による誤判定を抑制し、ノイズ成分の振動が発生していないタイミングにおいては、検出された全ての波形を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第１０の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第９の発明の構成に加え、第１のタイミングは、内燃機関の予め定められた部品に起因する振動が発生したタイミングである。

第１０の発明によると、ノイズ成分の振動が発生した第１のタイミングにおいて、検出された波形のうち、たとえばノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の振動の波形が合成される。ノイズ成分の振動が発生していない第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形が合成される。また、一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形が合成された第１の波形および複数の周波数帯の全ての周波数帯の振動の波形を合成した第２の波形が予め記憶される。第１のタイミングにおいては一部合成手段により合成された波形と第１の合成波形とが比較され、第２のタイミングにおいては全部合成手段により合成された波形と第２の合成波形とが比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分の振動が発生したタイミングにおいては、ノイズ成分による誤判定を抑制し、ノイズ成分の振動が発生していないタイミングにおいては、検出された全ての波形を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第１１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第８〜１０のいずれかの発明の構成に加え、ノッキング判定装置は、複数の周波数帯のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯を特定するための特定手段をさらに含む。一部合成手段は、検出された複数の波形のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯以外の周波数帯の波形を合成するための手段を含む。

第１１の発明によると、たとえば、ノイズ成分の振動を含むという条件を満たす周波数帯が特定される。このような周波数帯以外の周波数帯の波形が合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。

第１２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１１の発明の構成に加え、予め定められた条件は、内燃機関の予め定められた部品に起因する振動を含むという条件である。

第１２の発明によると、ノイズ成分の振動を含むという条件を満たす周波数帯が特定される。このような周波数帯以外の周波数帯の波形が合成される。これにより、ノイズ成分が抑制された波形を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。本実施の形態に係るノッキング判定装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。

エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。

混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。

エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２とが接続されている。

ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。

タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランプポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角を検出する。

スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。

エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、メモリ２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。

ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。すなわち、ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂ、第３の周波数帯Ｃおよび第４の周波数帯Ｄに含まれる周波数の振動が発生する。なお、ノッキングに起因する振動の周波数を含む周波数帯は４つに限らない。

第５の周波数帯Ｅには、ノッキングに起因した振動が現れない。第５の周波数帯Ｅに含まれる周波数の振動には、ピストンスラップ、インジェクタ１０４からの燃料噴射、吸気バルブ１１６の着座、排気バルブ１１８の着座、インジェクタ１０４に燃料を供給するポンプ（筒内直接噴射エンジンにおける高圧ポンプなど）１２０の作動などに起因する振動（ノイズ成分の振動）が考えられる。

なお、図２においては、第５の周波数帯Ｅは、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも高い周波数帯であるが、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも低い周波数帯であってもよい。

これらの周波数帯のうち、第４の周波数帯Ｄには、図２において一点鎖線で示すエンジン１００自体の共振周波数が含まれる。共振周波数の振動は、ノッキングの有無に関わらず発生する。

そのため、本実施の形態においては、共振周波数を含まない第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の強度（大きさ）に基づいて、振動波形を検出する。なお、振動波形の検出に用いられる周波数帯の数は３つに限らない。

後述するように、各周波数帯の振動波形が合成された波形が、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２に記憶されたノック波形モデルと比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。図３に示すように、ノック波形モデルは、周波数帯ごとに記憶される。これらのノック波形モデルが合成されて、振動波形の合成波形と比較される。

ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。

本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の振動に対応している。なお、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。

ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。

ノック波形モデルは、エンジン１００の寸法やノックセンサ３００の出力値が、寸法公差やノックセンサ３００の出力値の公差の中央値であるエンジン１００（以下、特性中央エンジンと記載する）を用いて作成される。すなわち、ノック波形モデルは、特性中央エンジンに強制的にノッキングを発生させた場合における振動波形である。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られない。

図４を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度Ｖを検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。

Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表す値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（以下、積算値と記載する）を算出する。積算値の算出は、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃごとに行なわれる。これにより、エンジン１００の振動波形が、周波数帯毎に検出される。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の周波数帯〜第３の周波数帯の振動に、ピストンスラップ、インジェクタ１０４からの燃料噴射、吸気バルブ１１６の着座、排気バルブ１１８の着座などに起因する振動（ノイズ成分の振動）が含まれているか否かを判別する。

ノイズ成分の振動が含まれているか否かは、図５に示すように、エンジン１００の振動の強度Ｖを対数変換した強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を用いて判別する。ノイズ成分の振動が含まれていない場合、振動の強度Ｖは適度な広がりを持ち、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布は、図５において実線で示す形状になる。この場合、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の中央値ＶＭＥＤ（１）のＸ倍（Ｘは定数で、たとえば「２」）の値よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が存在する。

一方、ノイズ成分の振動は、エンジン１００が運転されている限り、ノッキング有無に関わらず、常に発生する。そのため、ノイズ成分の振動が含まれている場合、検出される強度Ｖが全体的に高くなり、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布は、図５において破線で示すように偏った形状になる。この場合、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の中央値ＶＭＥＤ（２）のＸ倍の値よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が存在しない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、周波数帯ごとに強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を作成し、この頻度分布において、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の中央値のＸ倍の値よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が存在しない周波数帯の振動には、ノイズ成分の振動が含まれていると判定する。なお、ノイズ成分の振動が含まれているか否かを判別する方法は、これに限らない。

図４に戻って、ノイズ成分の振動が含まれている場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、処理はＳ１０６に移される。そうでない場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、処理はＳ１０８に移される。

Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯の振動波形およびノック波形モデルを合成する。ここで、波形の合成とは、各クランク角に対応する積算値を加算することをいう。Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、全ての周波数帯（第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃ）の振動波形およびノック波形モデルを合成する。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、合成により作成された振動波形の積算値のうち、最大の積算値を用いて振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、各積算値を最大の積算値で除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表すことである。

Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出する。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとの偏差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより、相関係数Ｋが算出される。

正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、上死点から９０度までのΔＳ（Ｉ）の総和である。このとき、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角におけるデータは無視される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。算出された積算値の最大値をＰとし、エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表す値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬという方程式で算出される。なお、積算値の最大値の代わりに積算値の総合計に基づいてノック強度Ｎを算出するようにしても構わない。また、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別する。ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、処理はＳ１１８に移される。そうでない場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、処理はＳ１２２に移される。

Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生したと判定する。Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１２４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度Ｖが検出される（Ｓ１００）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃごとに算出される（Ｓ１０２）。これにより、図６に示すように、周波数帯ごとの振動波形が検出される。なお、図６には、周波数帯Ａの振動波形を示す。

５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、振動の強度が細かく変化する複雑な形状の振動波形が検出されることを抑制することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。

このようにして検出された振動波形に、ノイズ成分の振動の波形が含まれている場合、ノイズ成分の振動はノッキングの有無に関わらず発生するため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができなくなる。そのため、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布に基づいて、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動に、ノイズ成分の振動が含まれているか否かが判別される（Ｓ１０４）。

いずれかの周波数帯の振動に、ノイズ成分の振動が含まれている場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯の振動波形およびノック波形モデルが合成される（Ｓ１０６）。一方、いずれの周波数帯の振動にも、ノイズ成分の振動が含まれていない場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、全ての周波数帯の振動波形およびノック波形モデルが合成される（Ｓ１０８）。

ここでは、第１の周波数帯Ａの振動にノイズ成分の振動が含まれていると想定する。この場合、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃの振動波形が合成されて、図７に示すような振動波形が作成される。また、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃのノック波形モデルが合成されて、図８に示すようなノック波形モデルが作成される。

振動波形を合成した波形における積算値のうち、最大の積算値で、各クランク角における積算値が除算されて波形の正規化が行なわれ（Ｓ１１０）、図９において実線で示すように、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。この正規化により、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。

さらに、図９に示すように、正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ、この状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１２）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。

さらに、算出された相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１４）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合に加えて、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。

ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１８）、点火時期が遅角される（Ｓ１２０）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。

一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２２）、点火時期が進角される（Ｓ１２４）。

以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵは、ノイズ成分の振動を含む周波数帯の振動波形以外の振動波形およびノック波形モデルを合成し、合成した振動波形とノック波形モデルとを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、ノイズ成分の影響を抑制してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

なお、本実施の形態においては、周波数帯ごとにノック波形モデルを記憶しておき、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外のノック波形モデルを合成していたが、ノック波形モデルを適宜合成する代わりに、所望の周波数帯の組合わせでノック波形モデルを合成した波形を複数記憶するようにしてもよい。

この場合、記憶された波形の中から、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯のノック波形モデルを合成した波形を選択し、合成された振動波形と比較することにより、ノッキングが発生したか否かを判定するようにしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
図１０〜図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態においては、第５の周波数帯Ｅの積算値を算出していなかったが、本実施の形態においては、第５の周波数帯Ｅの積算値が算出される。第５の周波数帯Ｅの積算値に基づいて、ノイズ成分の振動が発生したタイミング（クランク角）が特定される。その他の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。

図１０を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態における処理と同じ処理については、同じステップ番号を付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数帯Ｅの振動ごとに積算値を算出する。Ｓ２０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、第５の周波数帯Ｅの積算値に基づいて、ノイズ成分の振動が発生した位置（タイミング）を検出する。ここで、エンジンＥＣＵ２００は、第５の周波数帯Ｅの積算値がしきい値よりも大きいクランク角を、ノイズ成分の振動が発生した位置として検出する。ノイズ成分の振動が発生した位置は、たとえば積算値がピークとなるクランク角を基準として検出される。なお、積算値の代わりに、強度Ｖがしきい値よりも大きいクランク角をノイズ成分の振動が発生した位置として検出するようにしてもよい。

Ｓ２０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノイズ成分の振動が発生した位置において、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯の振動波形およびノック波形モデルを合成し、ノイズ成分の振動が発生した位置以外のクランク角において、全ての周波数帯（第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃ）の振動波形およびノック波形モデルを合成する。

Ｓ２０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、合成された振動波形を正規化する。ここで、エンジンＥＣＵ２００は、ノイズ成分の振動が発生した位置においては、その位置における積算値の最大値を用いて正規化が行なう。ノイズ成分の振動が発生していない位置においては、その位置における積算値の最大値を用いて正規化を行なう。すなわち、ノイズ成分の振動が発生した位置とそうでない位置とを区別して正規化を行なう。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度Ｖが検出される（Ｓ１００）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数際Ｅごとに算出される（Ｓ２００）。また、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布に基づいて、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動に、ノイズ成分の振動が含まれているか否かが判別される（Ｓ１０４）。

ここでは、第１の周波数帯Ａの振動にノイズ成分の振動が含まれていると想定する（Ｓ１０４にてＹＥＳ）。この場合、ノイズ成分の振動が発生しているため、図１１に示すように、第５の周波数帯Ｅの強度が大きくなり得る。この第５の周波数帯Ｅの積算値がしきち値よりも大きいクランク角がノイズ成分の振動が発生した位置として検出される（Ｓ２０２）。

図１２に示すように、ノイズ成分の振動が発生した位置において、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯（ここでは第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃ）の振動波形が合成される。また、ノイズ成分の振動が発生した位置以外のクランク角において、全ての周波数帯（第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃ）の振動波形が合成される（Ｓ２０４）。

同様に、図１３に示すように、ノイズ成分の振動が発生した位置において、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯（ここでは第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃ）のノック波形モデルが合成される。また、ノイズ成分の振動が発生した位置以外のクランク角において、全ての周波数帯（第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃ）のノック波形モデルが合成される（Ｓ２０４）。

ノイズ成分の振動が発生した位置とそうでない位置とを区別するように、ノイズ成分の振動が発生した位置においては、その位置における積算値の最大値を用いて正規化が行なわれ、ノイズ成分の振動が発生していない位置においては、その位置における積算値の最大値を用いて正規化が行なわれる（Ｓ２０６）。

このようにして合成された振動波形とノック波形モデルとが、図１４に示すように比較されて、相関係数Ｋが算出され（Ｓ１１２）、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１４）。

ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１８）、点火時期が遅角される（Ｓ１２０）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。

一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２２）、点火時期が進角される（Ｓ１２４）。

以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵは、ノイズ成分の振動が発生した位置において、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯の振動波形およびノック波形モデルを合成し、ノイズ成分の振動が発生した位置以外のクランク角において、全ての周波数帯の振動波形およびノック波形モデルを合成する。合成した振動波形とノック波形モデルとが比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノイズ成分の振動が発生した位置においては、ノイズ成分の影響を抑制してノッキングが発生したか否かを判定することができる。ノイズ成分の振動が発生していない位置においては、ノッキングに起因する振動が発生し得る全ての周波数帯の振動を分析して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

なお、本実施の形態においては、周波数帯ごとにノック波形モデルを記憶しておき、合成される振動波形の周波数帯に応じた周波数帯のノック波形モデルを合成していたが、ノック波形モデルを適宜合成する代わりに、所望の周波数帯の組合わせでノック波形モデルを合成した複数の波形と、全ての周波数帯のノック波形モデルを合成した波形とを記憶するようにしてもよい。

この場合、ノイズ成分の振動が発生した位置において、ノイズ成分の振動を含む周波数帯以外の周波数帯のノック波形モデルを合成した波形を選択して、合成された振動波形と比較し、ノイズ成分の振動が発生した位置以外のクランク角において、全ての周波数帯の振動波形を合成した波形と全ての周波数帯のノック波形モデルを合成した波形とを比較することにより、ノッキングが発生したか否かを判定するようにしてもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置により制御されるエンジンを示す概略構成図である。 エンジンで発生する振動の周波数を示す図である。 エンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図である。 合成前の振動波形を示す図である。 合成後の振動波形を示す図（その１）である。 合成後のノック波形モデルを示す図（その１）である。 正規化後の振動波形とノック波形モデルとを比較した状態を示す図（その１）である。 本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 第５の周波数帯Ｅの積算値を示す図である。 合成後の振動波形を示す図（その２）である。 合成後のノック波形モデルを示す図（その２）である。 正規化後の振動波形とノック波形モデルとを比較した状態を示す図（その２）である。

符号の説明

１００ エンジン、１０４ インジェクタ、１０６ 点火プラグ、１１０ クランクシャフト、１１６ 吸気バルブ、１１８ 排気バルブ、１２０ ポンプ、２００ エンジンＥＣＵ、３００ ノックセンサ、３０２ 水温センサ、３０４ タイミングロータ、３０６ クランクポジションセンサ、３０８ スロットル開度センサ。

Claims (12)

1. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   複数の周波数帯における前記内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための手段と、
   前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
   前記強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を、各前記周波数帯について検出するための波形検出手段と、
   検出された複数の波形を合成するための第１の合成手段と、
   各前記周波数帯における前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
   記憶された複数の波形を合成するための第２の合成手段と、
   検出された複数の波形を合成した波形と記憶された複数の波形を合成した波形とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
2. 前記第１の合成手段は、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段を含み、
   前記第２の合成手段は、記憶された複数の波形のうち、前記一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形を合成するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
3. 前記第１の合成手段は、
   予め定められた第１のタイミングにおいて、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段と、
   予め定められた第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形を合成するための手段とを含み、
   前記第２の合成手段は、
   前記第１のタイミングにおいて、記憶された複数の波形のうち、前記一部合成手段により合成された波形と同じ周波数帯の波形を合成するための手段と、
   前記第２のタイミングにおいて、記憶された全ての波形を合成するための手段とを含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記第１のタイミングは、前記内燃機関の予め定められた部品に起因する振動が発生したタイミングである、請求項３に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
5. 前記ノッキング判定装置は、複数の前記周波数帯のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯を特定するための特定手段をさらに含み、
   前記一部合成手段は、検出された複数の波形のうち、前記予め定められた条件を満たす周波数帯以外の周波数帯の波形を合成するための手段を含む、請求項２〜４のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
6. 前記予め定められた条件は、前記内燃機関の予め定められた部品に起因する振動を含むという条件である、請求項５に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
7. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   複数の周波数帯における前記内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための手段と、
   前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
   前記強度に関する値に基づいて、クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を、各前記周波数帯について検出するための波形検出手段と、
   検出された複数の波形を合成するための合成手段と、
   複数の前記周波数帯のいずれかの周波数帯の波形を合成した合成波形を予め記憶するための記憶手段と、
   検出された複数の波形を合成した波形と前記合成波形とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
8. 前記合成手段は、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段を含み、
   前記合成波形は、前記一部合成手段により合成された波形の周波数帯と同じ周波数帯の波形を合成した波形である、請求項７に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
9. 前記合成手段は、
   予め定められた第１のタイミングにおいて、検出された複数の波形のうち、一部の波形を合成するための一部合成手段と、
   予め定められた第２のタイミングにおいて、検出された全ての波形を合成するための全部合成手段とを含み、
   前記記憶手段は、前記一部合成手段により合成された波形の周波数帯と同じ周波数帯の波形を合成した第１の合成波形および複数の前記周波数帯の全ての周波数帯の波形を合成した第２の合成波形を予め記憶するための手段を含み、
   前記判定手段は、前記第１のタイミングにおいて、前記一部合成手段により合成された波形と前記第１の合成波形とを比較し、前記第２のタイミングにおいて、前記全部合成手段により合成された波形と前記第２の合成波形とを比較した結果に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項７に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
10. 前記第１のタイミングは、前記内燃機関の予め定められた部品に起因する振動が発生したタイミングである、請求項９に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
11. 前記ノッキング判定装置は、複数の前記周波数帯のうち、予め定められた条件を満たす周波数帯を特定するための特定手段をさらに含み、
    前記一部合成手段は、検出された複数の波形のうち、前記予め定められた条件を満たす周波数帯以外の周波数帯の波形を合成するための手段を含む、請求項８〜１０のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
12. 前記予め定められた条件は、前記内燃機関の予め定められた部品に起因する振動を含むという条件である、請求項１１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。

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