JP2006307711A - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノッキングの振動とノイズの振動とを明確に区別して、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、ノックセンサの出力電圧値（振動の強度を表す値）を、クランク角で５度分だけ積算した積算値を算出するステップ（Ｓ１０２）と、上死点から９０度までの積算値の総合計に基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１１０）と、ノック強度Ｎに基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定するステップ（Ｓ１１２、Ｓ１１４、Ｓ１１８）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の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技術に関する。

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２００３−２１０３２号公報（特許文献１）は、ノッキングを精度よく検出することができる内燃機関のノック制御装置を開示する。この公報に記載のノック制御装置は、内燃機関のノックを検出するためのノックセンサと、ノックセンサにより検出される出力信号を統計処理する統計処理部と、統計処理部による処理結果に基づいてノックの発生を判定する第１の仮判定部と、ノックセンサにより検出される出力信号の波形形状に基づいてノックの発生を判定する第２の仮判定部と、第１の仮判定部によるノック仮判定と第２の仮判定部によるノック仮判定との結果に基づいて最終的にノックの発生を判定する最終ノック判定部と、最終ノック判定部による最終的なノック発生の判定結果に基づいて点火時期を制御する点火時期制御部とを含む。

この公報に記載のノック制御装置によれば、統計処理プログラムによるノック仮判定と、波形形状プログラムによるノック仮判定とを用いて、それぞれの仮判定にてノックが発生したと判定される場合にのみ、最終的にノックが発生したと判定する。このように判定することで、統計処理プログラムや波形形状プログラムのみを用いたノック判定ではノックの誤検出をしていた出力信号に対しても精度良くノックの発生を判定することができる。
特開２００３−２１０３２号公報

特開２００３−２１０３２号公報に記載のノック制御装置においては、波形形状によるノックの仮判定に、ノック信号が信号有無判定レベルを越える発生期間ＳＤとノック信号のピーク値ＳＰとが用いられる。ノックセンサからの振動波形信号に対して得られた信号形状におけるピーク値ＳＰと発生期間ＳＤとの比（ＳＰ／ＳＤ）がノック判定のため予め設定された所定値Ｋ１（下限値）と所定値Ｋ２（上限値）との範囲内にあるかが判定される。Ｋ１＜（ＳＰ／ＳＤ）＜Ｋ２の不等式が成立するときにはノック発生ありと仮判定される。Ｋ１＜（ＳＰ／ＳＤ）＜Ｋ２の不等式が成立しないときにはノック発生なしと判定される。ここで、（ＳＰ／ＳＤ）≦Ｋ１の不等式が成立するのは、ピーク値ＳＰが小さく発生期間ＳＤが長いときであり、電気ノイズ信号または打音による機械ノイズ信号であるといえる。しかしながら、電気ノイズ信号または打音による機械ノイズ信号において、常にピーク値ＳＰが小さいとは限らない。ピーク値ＳＰが大きければ、電気ノイズ信号または打音による機械ノイズ信号であるにも関わらず、Ｋ１＜（ＳＰ／ＳＤ）＜Ｋ２の不等式が成立し得る。この場合、ノック発生ありと誤判定され得る。

本発明は、上述の課題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ノッキング判定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、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、内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための振動検出手段と、振動の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検出するための波形検出手段と、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、振動の強度に関する値を予め定められた間隔分だけ合計した合計値および検出された波形と記憶され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、クランク角検出手段が、内燃機関のクランク角を検出し、振動検出手段が振動の強度に関する値を検出し、波形検出手段が、振動の強度（大きさ）に関する値に基づいて、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。ここで、内燃機関自体の部品の作動による振動（ノイズの振動）の強度が大きければ、その最大値と、ノッキングが発生した場合における振動の強度の最大値との差が小さくなり得る。したがって、強度の最大値からでは、ノッキングによる振動とノイズの振動とを区別できないおそれがある。一方、ノッキングが発生した場合における振動の発生期間は、ノイズの振動の発生期間よりも十分に長い。そこで、振動の強度に関する値を予め定められた間隔分だけ合計した合計値に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定される。ノッキングによる振動とノイズの振動とでは発生期間が大きく異なるため、合計値が大きく異なる。これにより、ノッキングによる振動とノイズの振動とを明確に区別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。また、合計値に加え、検出された波形と記憶され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される。検出された波形を、たとえばノッキングが発生した場合の振動の波形として予め作成されたノック波形モデルと比較することにより、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。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ノッキング判定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は、第１の発明の構成に加え、ノッキング判定装置は、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、検出された波形と記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含む。判定手段は、偏差に関する値と合計値との積に基づいて、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手段を含む。

第２の発明によると、検出された波形と記憶された波形との相違が、偏差に関する値として数値化される。これにより、検出された波形を数値により客観的に分析して、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。このような偏差に関する値と合計値との積に基づいて、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、検出された波形を客観的に分析するとともに、ノッキングによる振動とノイズの振動とを明確に区別して、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定することができる。

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。

図１を参照して、本発明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を押し下げられ、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。

ノッキングが発生したか否かを判定するため、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２には、図２に示すように、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２には、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たノック波形モデルが記憶されている。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。また、ノック波形モデルは、複数の周波数帯の振動の合成波である。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。

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。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。エンジンＥＣＵ２００は、検出された波形と記憶されたノック波形モデルとを比較して、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。

図３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。

Ｓ１００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、各周波数帯の振動ごとに行なわれる。これにより、各周波数帯の振動波形が検出される。なお、５度以外のクランク角ごとに積算値を算出してもよい。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、各周波数帯の振動波形を合成する。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、合成された振動波形における積算値のうち、最大の積算値を用いて波形の正規化を行なう。ここで、波形の正規化とは、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。

Ｓ１０８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＝１〜１８）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。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。ここで、算出された積算値の総合計、すなわちノックセンサ３００の出力電圧値を上死点から９０度まで積算した値をＰとする。また、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）とする。ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬはメモリ２０２に記憶されている。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１２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（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移される。そうでない場合（Ｓ１１２にてＮＯ）、処理はＳ１１８に移される。

Ｓ１１４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。Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１２０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であるエンジン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度ごとの積算値が各周波数ごとに算出され（Ｓ１０２）、各周波数ごとに算出された積算値が合成される（Ｓ１０４）。これにより、図４に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。なお、図４においては、振動波形を矩形的に表しているが、各積算値を線で結び、線を用いて振動の波形を表してもよい。また、各積算値のみを点で表して振動波形を表してもよい。

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おける積算値のうち、最大の積算値を用いて波形の正規化が行なわれる（Ｓ１０６）。ここでは、１５度から２０度までの積算値を用いて正規化が行なわれたと想定する。

正規化では、各クランク角における積算値が１５度から２０度までの積算値で除算され、図５に示すように、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。

図６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（Ｓ１０８）。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と積算値の総合計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（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。

ここで、図７に示すように、ピストンスラップ、インジェクタの作動１０４、吸気バルブおよび排気バルブの着座など、エンジン１００自体の機械振動（ノイズ）による振動の発生期間は、ノッキングによる振動の発生期間よりも短い。

しかしながら、ノイズによる振動の強度が大きい場合は、ノッキング時の積算値の最大値と、ノイズによる積算値の最大値との差が小さい場合があり得る。この場合において、積算値の総合計の代わりに積算値の最大値を用いてノック強度Ｎを算出すると、ノッキング時のノック強度Ｎとノイズによるノック強度Ｎとの差が小さくなり得る。そのため、ノック強度Ｎの大きさからは、ノッキングとノイズとを区別し難くなるおそれがある。

一方、ノッキングとノイズとでは、振動の発生期間が大きく異なるため、積算値の最大値の差が小さい場合であっても、図８に示すように積算値の総合計は大きく異なり得る。したがって、本実施の形態においては、積算値の総合計に基づいてノック強度Ｎが算出される。これにより、ノッキング時に算出されるノック強度Ｎと、ノイズにより算出されるノック強度Ｎとの差を大きくすることができる。そのため、ノッキングによる振動とノイズによる振動とを明確に区別することができる。

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（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１４）、点火時期が遅角される（Ｓ１１６）。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（Ｓ１１２にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１０８）、点火時期が進角される（Ｓ１１０）。

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、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数Ｋを算出する。さらに相関係数Ｋと振動波形における積算値の総合計Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎを算出する。これにより、ノッキング時に算出されるノック強度Ｎと、ノイズにより算出されるノック強度Ｎとの差を大きくすることができる。そのため、ノッキングによる振動とノイズによる振動とを明確に区別して、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。

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を搭載した車両のエンジンを示す制御ブロック図である。 本発明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。 ５度ごとに算出された積算値を示す図である。 正規化された振動波形を示す図である。 ノック波形モデルとエンジンの振動波形とを示す図である。 ノッキング時の積算値とノイズによる積算値とを示す図（その１）である。 ノッキング時の積算値とノイズによる積算値とを示す図（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、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 (2)

1. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   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、
   前記内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための振動検出手段と、
   前記振動の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検出するための波形検出手段と、
   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、
   前記振動の強度に関する値を前記予め定められた間隔分だけ合計した合計値および前記検出された波形と前記記憶され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. 前記ノッキング判定装置は、前記検出された波形と前記記憶された波形とを比較した結果に基づいて、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含み、
   前記判定手段は、前記偏差に関する値と前記合計値との積に基づいて、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。

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