JP2006513412A - ノッキング識別方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関の１つのシリンダにおける燃焼のもとでノッキングセンサ（２）の測定信号が、ノッキング燃焼が行われているかどうかについて評価される、ノッキング識別方法ないし装置に関している。本発明では、測定信号が複数の時間窓（１１，１２，１３）に分割され、これらの各窓（１１，１２，１３）毎にノッキング燃焼の有無について検査がなされ、前記複数の窓（１１，１２，１３）の結果が、ノッキング燃焼が行われているかどうかについての最終判断のために、相互に比較される。

Description

本発明は、独立請求項の上位概念によるノッキング識別方法ないし装置に関している。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４０２７３５４号明細書からは、ノッキング識別のための方法及び装置が公知であり、そこでは内燃機関の１つのシリンダにおける燃焼過程の期間中の測定窓においてノッキングセンサの測定信号が検査されている。この検査は、ノッキング燃焼が行われているかどうかについて実施される。内燃機関のシリンダにおいてノッキング燃焼が行われているという概念は、燃焼過程が制御不能であることを意味しており、これは特に点火スパークによる燃焼混合気の制御された着火ではなくて、自己着火ないし自然着火が発生してしまっている状態を指す。そのようなノッキング燃焼のもとでは、燃焼室の個々のパーツにおいて許容できない位に高い圧力や温度が発生し、内燃機関自体に損傷の危険性が生じる。それ故にノッキング識別方法ないし装置の主旨と目的は、ノッキング燃焼の避けられる運転領域で内燃機関を作動させることにある。また別の観点から見れば、できるだけこのノッキング燃焼に近付けた運転が望ましいとも言える。なぜならそのような領域では燃焼過程が特に省エネ的でかつクリーンに行われるからである。

発明の利点
それに対して独立請求項の特徴部分に記載されている本発明によるノッキング識別方法ないし装置は、ノッキング識別の精度が向上する利点を有している。特にそれによって、燃焼過程中に発生する個々の事象が、誤った形でノッキング信号として評価されることはない。特にこのことは、直噴式のガソリンエンジンの場合に有利となる。なぜならそこでは燃焼過程中にバルブ類が作動され、それに伴ってノイズが発生するからである。これはノッキング識別そのものを悪化させる。また本発明による方法は、内燃機関のシリンダが、特に高い位置に重心を持っているトップヘビーなピストンによって作動されている場合にも有利である。この種のピストンでは、上死点領域において不所望な揺動が起こりやすい。このこともノイズの原因となり得る。

本発明の別の構成例ないし改善例は従属請求項に記載される。特に、３つの測定窓が検査されてそのうちの少なくとも２つにおいてノッキング燃焼が識別されなければならないようにすれば、ノッキング燃焼が行われているかどうかについてのさらに確かな判断を下すことが可能となる。この場合それらの窓の時間的な幅は、固定的に設定されてもよいし、可変に構成してもよい。特に有利にはこの可変構成のもとで、回転数への依存性が導入される。それにより高い回転数の場合の燃焼変化の増大が考慮されるようになる。さらに有利には、特に時間的に予測可能な箇所においてノイズ信号が発生するような場合に、これらの窓の間に間隙期間が設けられてもよい。

図面
図面には本発明の実施例が示されており、それらの実施例は以下の明細書で詳細に説明する。この場合、
図１は、１つの測定信号の経過を表した図であり、
図２は、ノッキング識別のための装置を概略的に示した図である。

内燃機関の燃焼室内では、ノッキングとも称される異常燃焼過程が生じ得る。このノッキングは、点火プラグから伝播してくる火炎に至っていない可燃混合気の自己着火に起因している。この種のノッキングは、燃焼室の個々のパーツに、シリンダ若しくはピストンの亀裂を引き起しかねない過度な圧力若しくはピーク温度を引き起す。このようなノッキング燃焼の頻度は、内燃機関の運転状態に依存する。その反面、ノッキング燃焼への傾向性にもかかわらず、そのような領域での運転状態もまた望ましい。なぜならその領域では特に効率のよいクリーンな燃焼が行われるからである。ノッキングの事象は、シリンダ内の圧力変動ないし圧力振動として現れ、この振動は燃焼過程のさらなる経過において減衰する。そのためノッキングは、個々の所定の時点だけに現れるのではなく、ある期間の中で観察可能な変動ないし振動として現れる。この観察は、ノッキングセンサによって行われる。このノッキングセンサは、シリンダ内の圧力振動から導出される信号を検出する。

通常のノッキングセンサは、例えば固体伝播音センサとして構成されており、すなわちエンジンブロックに固定された加速度センサとして構成されている。燃焼室内のピーク圧力によってエンジンブロック内では音波が生成され、それがこの加速度センサによって検出される。さらに燃焼室から圧力信号を直接ピックアップするノッキングセンサも公知である。特に固体伝播音センサの場合には、その他の事象も信号に結び付く。そのため全ての事象がエンジンブロック内で１つの固体伝播信号を適宜生じさせる（例えばバルブ類の給/排気切換えなど）。

図１には、例示的にノッキングセンサ、例えば加速度センサ若しくは圧力センサの信号が示されている。この信号の強度は軸Ｂに沿ってプロットされており、さらに軸Ａに沿ってその時間経過が表されている。図１では、軸Ａ上には時間がプロットされている。ここでは代替的にクランク軸角度がプロットされていてもよい。図１による線図では、測定信号の強度が時間経過と共に表されている。図１からもわかるように、ノッキング信号は、不規則な振動として表されており、この場合時間の経過と共に強度が減衰している。

図１には、１つのノッキング信号、すなわち強度振幅の比較的高い信号が表されている。ノッキング信号でない場合には、この強度振幅は著しく僅かなはずである。

さらに図１では、複数の時間窓１１，１２，１３が表されており、これらの窓はそれぞれ１つの測定窓を表す。各測定窓では、ノッキング信号が、ノッキング燃焼の有無について検査される。図１中に示されている信号経過は、個々の燃焼過程のノッキング信号を表している。燃焼がノッキングを起こしているかどうかについての検査に対しては、通常は予め定められた時間的測定窓が設定される。できるだけ強い信号を可能にするためには、この場合関心部位のできるだけ長い測定領域が望まれる。つまり通常は、図示のような測定窓１１，１２，１３が一緒に観察され、総体的な信号が形成される。その後ではそのような総体的信号に基づいて、ノッキング燃焼の有無が評価される。この全体領域の長さは、通常はノッキング信号がまだ有利に検出可能である位の長さに設定される。本発明によれば、有利な測定領域をさらに細分化すること、すなわち特に複数の窓１１，１２，１３に細分化することが提案されている。これらの個々の各窓１１，１２，１３内では、ノッキング燃焼に至るか否かが別個に確定される。そのように検出された結果の比較によって、ノッキング燃焼に至るか否かに関する情報を含んだ最終結果が形成される。図１に示されているように３つの窓１１，１２，１３が測定のために設けられているならば、有利には、ノッキング事象が、３つの窓１１，１２，１３のうちの少なくとも２つにおいてノッキング燃焼が確定された場合にのみ決定される。この手法によって、そのようなノッキング識別が改善され得る。特にこれらの窓１１，１２，１３のうちの１つだけにおいてのみ現れた個々の強い信号は、正常でないものとして拒絶される。従来技法の説明で述べてきたように、この種の個々の信号は、内燃機関において付加的な事象が起きることによって現れる。この種の事象としては、例えば直噴エンジンでの噴射バルブの閉成が挙げられる。さらにトップヘビーなピストンの場合では、上死点の近傍において燃焼信号の間でノッキング信号の個々の強いパルスを引き起しかねない揺動が生じる。しかしながらこの種の個々の事象は、燃焼経過中の個々の時点においてのみ作用する。つまり個々の１つの窓においてのみ相応する１つの信号が現れる。これらの信号の強度はしかしながら非常に高いものであり得る。そのため３つの測定窓に亘った全体レベルでの観察のもとでは、単独のノッキング信号は誤ったものとして除外される。

図２には、ノッキング信号を処理するための装置の例が示されている。ノッキング信号を処理するための装置１は、複数の入力側を有しており、それらの各々に複数のノッキングセンサ２からの信号が供給される。これらの複数のノッキングセンサ２は、例えば構造体伝播音センサ、例えば圧電式加速度センサであり得る。これらのノッキングセンサ２は、異なるシリンダに配置され、エンジンブロックの該当するシリンダの信号が良好に受信できる箇所に固定されている。図２において２つのノッキングセンサ２によって示されている配置構成は、例えば４気筒エンジンにおけるノッキング信号の測定に良好に適している。燃焼は時間的に同時にではなく相前後して行われるので、個々のノッキングセンサ信号は、相前後してノッキング識別装置１によって処理される。それに対しては、ノッキングセンサ２の信号がノッキング識別装置１に供給される。入力側に供給されるこれらの信号は、マルチプレクサ３によって、種々のノッキングセンサ２に対応付けられている入力側に応じてピックアップされる。マルチプレクサ３の後には、増幅段４が配設されており、この増幅段では、ノッキング信号の増幅が行われる。この増幅段４の後には、フィルタ５が後置接続されている。このフィルタ５は、帯域ろ波フィルタとして構成されている。なぜならノッキング信号は、所定の周波数領域内でしか現れないからである。フィルタ５の出力信号は、整流器６に供給される。この整流器では信号の整流が行われる。この整流器は必要である。なぜならノッキング信号は２つの極性を有し得るからで、絶対強度のみに関心があるからである。整流器６には、積分器７が後置接続されており、この積分器７では、整流された信号が所定の期間に亘って順方向積分される。そのように順方向積分された信号は、ノッキング強度に対する尺度となり、当該のノッキング識別装置から出力される。他のユニット、例えばここでは図示されていない制御機器において、この順方向積分されたノッキング強度に対する値が基準値と比較される。

通常は、積分器７内の順方向積分は、全体期間に亘って行われる。すなわち個々の燃焼過程毎にノッキング信号の発生し得る全ての期間が観察される。ここにおいて本発明によれば、積分器７が次のように駆動制御される。すなわち順方向積分された１つの信号の変わりに全期間に亘って相前後する３つの異なる信号が送出される（これらの信号は測定窓１１，１２，１３のそのつどの順方向積分に相応する）。これらの信号自体はそのつど基準値と比較され、この基準値との比較によって、該当する窓１１，１２，１３内でのノッキング燃焼過程の有無が確定される。個々の窓１１，１２，１３毎に順方向積分された信号と比較されるこれらの基準値は、この場合異なる構成であってもよいし、特にその高さが異なるものであってもよい。それにより３つの信号が形成される。それらはそれぞれノッキング強度に対する尺度を表し、それぞれノッキングの有無に関する評価がなされる。この手法によって特に、前記窓１１，１２，１３のうちの１つにおけるノッキング信号の高まりにのみ結び付く個々の事象は、高い信頼性で、ノッキングに起因する事象ではない信号成分として識別される。ノッキング燃焼に対する典型は、３つの全ての窓においてノッキングが確定されることである。

図１に対する説明においては、測定窓１１，１２，１３が期間として定義されてきたが、これらの期間は固定的に設定してもよいし、すなわちそのつど所定の期間１１，１２，１３毎に信号が順方向積分されてもよい。このことは、特に簡素化の点で利点となる。しかしながらこれらの窓１１，１２，１３の時間的な長さを可変に構成することも可能である。特にそれらの測定窓の時間的な長さを回転数に依存して形成してもよい。その際には、特に比較的高い回転数のもとでは、これらの窓１１，１２，１３の各々の時間的な長さが短く構成される。なぜならピストンの早い動きに基づいて燃焼過程も迅速に経過するからである。

さらにこれらの窓１１，１２，１３は、期間としてではなく、クランク軸角度として定義されてもよい。このことは、図１において軸Ａが時間軸ではなく、クランク軸角度軸であることを意味する。そのようなケースでは、いずれにせよ窓の短縮を回転数の上昇に依存して行う必要はない。なぜなら、このことは窓１１，１２，１３の決定によってそれぞれクランク軸の領域として既に考慮されているからである。

図１では、窓１１，１２，１３の時間的な長さがそれぞれ同じ大きさで表されている。必要である限り及び有利である限りは、これらの測定窓の時間的な長さは、種々異ならせて構成されてもよい。特に時間軸上で見て燃焼開始時点から離れた所にある窓１３は、信号強度が既に著しく低減しており、そのため比較的大きな測定信号を得るために長めに構成してもよい。

さらに前記窓１１，１２，１３のうちの１つにおいて常に１つのノッキング事象が確定されることもあり得る。特にこのことは、エンジン制御機器によって内燃機関が本来はノッキングの見込まれない１つの領域において作動されている場合には重要となる。従ってそのようなケースにおいては、ノッキングに起因し得ない信号であることが推論される。そしてさらなる測定によって、この信号が常に発生している箇所が確定され、引き続き測定窓１１，１２，１３が、常にこのような誤った信号の現れる時間に対しては測定がなされないように構成される。これは測定領域において間隙期間を設けることとも言える。つまり例えば測定窓１１と１２の間に、ノッキング信号の測定を引き起さない時間領域が設けられる。この手段により、規則的に出現する障害的ノイズ、例えば噴射弁の開閉ノイズのようなものが、内燃機関におけるノッキング確定のためにマスキング処理される。

１つの測定信号の経過を表した図 ノッキング識別のための装置を概略的に示した図

Claims (14)

1. 内燃機関の１つのシリンダにおける燃焼のもとでノッキングセンサ（２）の測定信号が、ノッキング燃焼が行われているかどうかについて評価される、ノッキング識別方法において、
   測定信号が複数の時間窓（１１，１２，１３）に分割され、
   前記各窓（１１，１２，１３）毎にノッキング燃焼の有無について検査され、
   前記複数の窓（１１，１２，１３）の結果が、ノッキング燃焼が行われているかどうかについての最終判断のために、相互に比較されるようにしたことを特徴とするノッキング識別方法。
2. 複数の窓（１１，１２，１３）のうちの所定の数の窓においてノッキング燃焼が識別された場合に、ノッキング燃焼が行われているものとしての最終判断がなされる、請求項１記載の方法。
3. 少なくとも３つの測定窓（１１，１２，１３）が設けられ、それらの窓（１１，１２，１３）のうちの少なくとも２つにおいてノッキング燃焼が識別された場合に、ノッキング燃焼が行われているものとしての最終判断がなされる、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記窓（１１，１２，１３）の長さは、予め固定的に設定される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
5. 前記窓の長さは、内燃機関の回転数に依存して変更される、請求項１から３いずれか１項記載の方法。
6. 前記窓（１１，１２，１３）は、時間領域若しくは角度領域として定められる、請求項１から５いずれか１項記載の方法。
7. 前記窓（１１，１２，１３）の間に間隙期間が設けられ、それらの間隙期間中は、ノッキング燃焼の有無についての検査は行われない、請求項１から６いずれか１項記載の方法。
8. 内燃機関の１つのシリンダにおける燃焼のもとでノッキングセンサ（２）の測定信号が、ノッキング燃焼の有無について評価される、ノッキング識別装置において、
   測定信号が複数の時間窓（１１，１２，１３）に分割され、
   前記各窓（１１，１２，１３）毎にノッキング燃焼の有無についての検査がなされ、
   前記複数の窓（１１，１２，１３）の結果が、ノッキング燃焼が行われているかどうかについての最終判断のために、相互に比較されるように構成されていることを特徴とするノッキング識別装置。
9. 複数の窓（１１，１２，１３）のうちの所定の数の窓においてノッキング燃焼が識別された場合に、ノッキング燃焼が行われているものとしての最終判断がなされる、請求項８記載の装置。
10. 少なくとも３つの測定窓（１１，１２，１３）が設けられ、それらの窓（１１，１２，１３）のうちの少なくとも２つにおいてノッキング燃焼が識別された場合に、ノッキング燃焼が行われているものとしての最終判断がなされる、請求項８又は９記載の装置。
11. 前記窓（１１，１２，１３）の長さは、予め固定的に設定される、請求項８から１０いずれか１項記載の装置。
12. 前記窓の長さは、内燃機関の回転数に依存して変更される、請求項８から１１いずれか１項記載の装置。
13. 前記窓（１１，１２，１３）は、時間領域若しくは角度領域として定められる、請求項８から１２いずれか１項記載の装置。
14. 前記窓（１１，１２，１３）の間に間隙期間が設けられ、それらの間隙期間中は、ノッキング燃焼の有無についての検査は行われない、請求項８から１３いずれか１項記載の装置。

Images