JP2008297923A - 内燃機関のノッキング判定装置、判定方法およびその方法をコンピュータで実現されるプログラムならびにそのプログラムを記録した記録媒体 - 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ことができる。
【解決手段】エンジンＥＣＵは、予め定められた範囲（１）におけるエンジンの振動波形とノック波形モデルとの相関係数Ｋａを算出するステップ（Ｓ１１０）と、相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいと（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、予め定められた範囲（２）における振動波形とノック波形モデルとの相関係数Ｋｂを算出するステップ（Ｓ１１４）と、相関係数Ｋｂに基づいてノッキングが発生しているか否かを判定するステップ（Ｓ１２２，Ｓ１２６）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】図１０

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の有無を判定する技術に関する。

従来より、内燃機関において発生するノッキング（ノック）を検出する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関の振動の強度がしきい値よりも高いとノッキングが発生したことを判定する技術がある。ところが、ノッキングが発生していなくても、たとえば吸気バルブや排気バルブが閉じる際に発生する振動などのノイズの強度がしきい値よりも高い場合がある。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。そこで、振動が発生するクランク角や減衰率など、強度以外の特性も考慮するために振動の波形に基づいてノッキングの有無を判定する技術が提案されている。

特開２００６−１７７３１９号公報（特許文献１）は、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定する内燃機関のノッキング判定装置を開示する。このノッキング判定装置は、第１の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯における内燃機関の振動の強度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、第１の周波数帯における振動の強度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、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果および第２の周波数帯における振動の強度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。

上述した公報に開示されたノッキング判定装置によると、検出された波形が、ノッキングに起因する振動の波形として予め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。ノック波形モデルと検出された波形とは、第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた値よりも小さいタイミングにおいて比較される。これにより、第２の周波数帯の振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。そのため、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングでノッキングに起因しない振動が発生したために、ノッキングが発生していないと誤判定することを抑制することができる。
特開２００６−１７７３１９号公報

しかしながら、バルブ着座ノイズや直墳インジェクタノイズは、ノッキングと比較して短時間で減衰する。そのため、ノッキングの減衰期間に対応させてノック波形モデルを設定する場合においては、ノック波形モデルの減衰後半部においては、ノイズの減衰は終了している。そのため、上述した公報に開示されたノッキング判定装置のように、検出された波形とノック波形モデルとを比較したときに、減衰後半部においてはノイズの有無に関わらずノックモデルとの乖離が小さくなるため、検出された波形とノック波形モデルとの類似の度合が押し上げられる要因となる。その結果、ノッキングの発生について誤判定を招く可能性がある。

本発明は、上述した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内燃機関の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、内燃機関のノッキングを判定する。こ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手段と、クランク角に対応させて、内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、内燃機関の振動の強度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振動の波形を検出するための手段と、クランク角の予め定められた第１の範囲における、検出された波形と内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルとの第１の類似の度合を算出するための第１の算出手段と、算出された第１の類似の度合が予め定められた第１の条件を満足すると、第１の範囲よりも広いクランク角の予め定められた第２の範囲における、検出された波形と波形モデルとの第２の類似の度合を算出するための第２の算出手段と、算出された第２の類似の度合が予め定められた第２の条件を満足すると、検出された波形の強度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１２の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第１の発明によると、クランク角の予め定められた第１の範囲（たとえば、振動のピーク値に対応するクランク角から予め定められた角度だけ進めたクランク角までの範囲）において、検出された波形と波形モデルとの類似の度合（たとえば、数値化された相関性）を算出する。たとえば、第１の範囲を波形モデルの一部の区間（たとえば、前半部または中間部）に設定するようにすると、算出された第１の類似の度合が予め定められた条件（たとえば、第１の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件）を満足した場合に、検出された波形と波形モデルとが部分的に類似することを判定することができる。すなわち、検出された振動がノッキングである可能性が高いことを判定することができる。さらに、第１の範囲よりも広い第２の範囲において、検出された波形と波形モデルとの第２の類似の度合を算出することにより、検出された波形と波形モデルとが全体的に類似するか否かを判定することができるため、より精度高くノッキングを判定することができる。したがって、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内燃機関のノッキング判定装置および判定方法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て、第１の範囲および第２の範囲は、検出された振動のピークに対応するクランク角を基準として始点および終点が定められる。第１３の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第２の発明によると、第１の範囲および第２の範囲は、検出された振動のピークに対応するクランク角を基準として始点および終点が定められる。これにより、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かをより精度よく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２の発明の構成に加えて、第１の範囲および第２の範囲のうちのいずれか一方は、検出された振動のピーク値に対応するクランク角を始点とする。第１４の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第３の発明によると、第１の範囲または第２の範囲が検出された振動のピーク値に対応するクランク角を始点とすることにより、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かをより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２の発明の構成に加えて、第１の範囲および第２の範囲のうちのいずれか一方は、検出された振動のピーク値に対応するクランク角から予め定められた角度だけ離隔したクランク角を始点とする。第１５の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第４の発明によると、第１の範囲または第２の範囲が検出された振動のピーク値に対応するクランク角から予め定められた角度だけ離隔した（たとえば、予め定められた角度だけ進めた）クランク角を始点とすることにより、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かをより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においては、第２の発明の構成に加えて、第１の範囲は、第２の範囲内において検出された複数のピークをそれぞれ始点として定められる複数の区間を有する範囲である。第１６の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第５の発明によると、第１の範囲は、第２の範囲内において検出された複数のピークをそれぞれ始点として定められる複数の区間を有する範囲であるため、複数のピークにおいて、波形モデルと比較することにより、ピーク毎にノイズであるかノッキングであるかの判定をすることができる。そのため、内燃機関の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１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、第１の条件は、第１の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である。第１７の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第６の発明によると、第１の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件を満足すると、検出された振動が波形モデルとの類似の度合が高い、すなわち、ノッキングに対応する振動である可能性が高いことを判定することができる。

第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜６のいずれかの発明の構成に加えて、第２の条件は、第２の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である。第１８の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第７の発明によると、第２の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件を満足すると、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合が高いことを判定することができるため、検出された振動がノッキングであることを精度高く判定することができる。

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て、第１の条件における予め定められた度合と第２の条件における予め定められた度合とは、同じ度合である。第１９の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第８の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第８の発明によると、第１の条件における予め定められた度合と第２の条件における予め定められた度合とを同じ度合としても、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合が高いか否かを判定することができるため、検出された振動がノッキングであるか否かを精度高く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１〜８のいずれかの発明の構成に加えて、第１の算出手段は、第１の範囲における、検出された波形と波形モデルとの数値化された相関性を算出するための手段を含む。第２０の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第９の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第９の発明によると、検出された波形と波形モデルとの数値化された相関性を算出することにより、類似の度合を数値的に算出して、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合が高いか否かを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１〜９のいずれかの発明の構成に加えて、第２の算出手段は、第２の範囲における、検出された波形と波形モデルとの数値化された相関性を算出するための手段を含む。第２１の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第１０の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第１０の発明によると、検出された波形と波形モデルとの数値化された相関性を算出することにより、類似の度合を数値的に算出して、検出された波形と波形モデルとにおける全体的な類似の度合が高いか否かを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１〜１０のいずれかの発明の構成に加えて、判定手段は、第１の条件および第２の条件のうちのいずれかが満足しないと、内燃機関にノッキングが発生していないことを判定するための手段を含む。第２２の発明に係る内燃機関のノッキング判定方法は、第１１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置と同様の構成を有する。

第１１の発明によると、第１の条件および第２の条件のうちのいずれかが満足しないと、検出された波形と波形モデルとにおける部分的な類似の度合および全体的な類似の度合が低いことを判定することができる。そのため、内燃機関にノッキングが発生していないことを精度よく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じである。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。このエンジン１００には複数の気筒が設けられる。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。点火時期は、出力トルクが最大になるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）になるように制御されるが、ノッキングが発生した場合など、エンジン１００の運転状態に応じて遅角されたり、進角されたりする。

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、エアフローメータ３１４とが接続されている。

ノックセンサ３００は、エンジン１００のシリンダブロックに設けられる。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、電圧を表わす信号をエンジン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、検出結果を表わす信号を、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、クランクポジションセンサ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、起電力を表わす信号を、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およびクランクシャフト１１０の回転数を検出する。

スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表わす信号をエンジン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、検出結果を表わす信号をエンジン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。エアフローメータ３１４は、エンジン１００に吸入される空気量を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。

エンジンＥＣＵ２００は、電源である補機バッテリ３２０から供給された電力により作動する。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、ＲＯＭ（Read Only Memory）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。ノッキングに起因して発生する振動の周波数は一定ではなく、所定の帯域幅を有する。そのため、本実施の形態においては、図２に示すように、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃを包含する第４の周波数帯Ｄの振動を検出する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。また、ノッキングに起因して発生する振動の周波数帯は３つに限られない。

図３を参照して、エンジンＥＣＵ２００についてさらに説明する。エンジンＥＣＵ２００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４００と、バンドパスフィルタ４１０と、積算部４２０とを含む。

Ａ／Ｄ変換部４００は、ノックセンサ３００から送信されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。バンドパスフィルタ４１０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第４の周波数帯Ｄの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ４１０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第４の周波数帯Ｄの振動のみが抽出される。

積算部４２０は、バンドパスフィルタ４１０により選別された信号、すなわち振動の強度を、クランク角で５度分づつ積算する。以下、積算された値を積算値と表わす。クランク角に対応させて積算値を算出することにより、図４に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。

本実施の形態において、Ａ／Ｄ変換部４００、バンドパスフィルタ４１０および積三部４２０は、いずれもＣＰＵ（Central Processing Unit）が、ＲＯＭ２０２に記憶されたプログラムを実行することにより実現される、ソフトウェアとして機能するものとして説明するが、ハードウェアにより実現されるようにしてもよい。なお、このようなプログラムは記憶媒体に記録されて車両に搭載される。ＲＯＭ２０２には、各種情報、プログラム、しきい値、マップ等が記憶され、必要に応じてＣＰＵからデータが読み出されたり、格納されたりする。

検出された振動波形は、図５に示すようにエンジンＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２に記憶されたノック波形モデルと比較される。ノック波形モデルは、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルとして予め作成される。

なお、本実施の形態においては、検出された振動波形は、図５に示すノック波形モデルの一部の区間と部分的な比較することを比較の第１段階として実施する。そして、第１段階においてノッキングの発生の可能性がある判定されると、検出された振動波形とノック波形モデルの全体の区間との比較を第２段階として実施するものである。詳細は後述する。

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予め定められたクランク角分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、これに限られず、その他、シミュレーションにより作成してもよい。

本実施の形態においては、エンジンＥＣＵ２００は、クランク角の予め定められた範囲（１）における、振動波形とノック波形モデルとの類似の度合（１）を算出して、算出された類似の度合（１）が予め定められた条件（１）を満足すると、予め定められた範囲（１）よりも広いクランク角の予め定められた範囲（２）における、振動波形モデルとの類似の度合（２）を算出する点に特徴を有する。

具体的には、検出された波形とノック波形モデルとの比較の第１段階として、まず、図６に示すように、正規化された波形とノック波形モデルとが部分的に比較される。ここで、正規化とは、たとえば、検出された振動波形における積算値の最大値で各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことである。なお、正規化の方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、クランク角の予め定められた範囲（１）における正規化された振動波形とノック波形モデルとの部分的な類似の度合（１）を表わす（振動波形とノック波形モデルとの偏差を表わす）相関係数Ｋａを算出する。相関係数Ｋａが正規化された振動波形とノック波形モデルとの予め定められた範囲（１）における数値化された相関性に対応する。

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、予め定められた範囲（１）において、正規化後の振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値（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Ｋａが算出される。

なお、５度以外のクランク角ごとに振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値を算出するようにしてもよい。また、「予め定められた範囲（１）」は、上述したノック検出ゲート内であって、ノック波形モデルの前半部、中間部または前半部および中間部に対応するクランク角の範囲であれば、特に限定されるものではないが、本実施の形態において「予め定められた範囲（１）」は、ノック波形モデルの前半部に対応する範囲である。

ここで、予め定められた範囲（１）における正規化後の振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度とのクランク角ごとの差の絶対値をΔＳａ（Ｉ）（Ｉは自然数）とおく。予め定められた範囲（１）におけるノック波形モデルの面積をＳａとおくと、相関係数Ｋａは、Ｋａ＝（Ｓａ−ΣΔＳａ（Ｉ））／Ｓａとして算出される。ここで、ΣΔＳａ（Ｉ）は、振動波形とノック波形モデルとが比較されるクランク角におけるΔＳａ（Ｉ）の総和である。なお、相関係数Ｋａの算出方法はこれに限らない。

たとえば、図７に示すように、予め定められた範囲（１）における振動波形の最小値を基準値として、基準値以上の強度が占めるノック波形モデルの面積をＳａとするようにしてもよい。このようにすると、ノック波形モデルにおける強度自体による影響量を基準値の分だけ小さくすることができる。

エンジンＥＣＵ２００は、算出された相関係数Ｋａが予め定められた条件（１）を満足するか否かを判定する。本実施の形態において、「予め定められた条件（１）」は、相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいという条件である。なお、予め定められた値（１）は、実験等により適合すればよい。

次に、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋａが予め定められた条件（１）を満足すると、図８に示すように、正規化された波形とノック波形モデル全体とを比較する第２段階を実施する。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、クランク角の予め定められた範囲（２）における正規化された振動波形とノック波形モデル全体との類似の度合（２）を表す相関係数Ｋｂを算出する。相関係数Ｋｂが正規化された振動波形とノック波形モデルとの予め定められた範囲（２）における数値化された相関性に対応する。

正規化後の振動波形において振動の強度が最大と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、予め定められた範囲（１）よりも広い、クランク角の予め定められた範囲（２）において、正規化後の振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値（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Ｋｂが算出される。

なお、５度以外のクランク角ごとに振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値を算出するようにしてもよい。また、「予め定められた範囲（２）」は、ノック検出ゲート内であって、ノック波形モデル全体を含む範囲である。

ここで、予め定められた範囲（２）における正規化後の振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度とのクランク角ごとの差の絶対値をΔＳｂ（Ｉ）（Ｉは自然数）とおく。予め定められた範囲（２）におけるノック波形モデルの面積をＳｂとおくと、相関係数Ｋｂは、Ｋｂ＝（Ｓｂ−ΣΔＳｂ（Ｉ））／Ｓｂとして算出される。ここで、ΣΔＳｂ（Ｉ）は、振動波形とノック波形モデルとが比較されるクランク角におけるΔＳｂ（Ｉ）の総和である。なお、相関係数Ｋｂの算出方法はこれに限らない。

予め定められた範囲（１）と予め定められた範囲（２）とは、振動波形のピークに対応するクランク角を基準として設定されればよい。また、予め定められた範囲（１）の始点と予め定められた範囲（２）の始点とは、同一のクランク角に対応するとして説明したが、ノック波形モデルの前半部または中間部を含むようにすればよく、予め定められた範囲（１）の始点と予め定められた範囲（２）の始点とは異なるクランク角にそれぞれ対応するように設定してもよい。

また、本実施の形態において、予め定められた範囲（１）の始点および予め定められた範囲（２）の始点は、いずれも検出された振動波形のピーク値に対応するクランク角であるが、特にこれに限定されるものではない。たとえば、予め定められた範囲（１）の始点および予め定められた範囲（２）の始点は、いずれも検出された振動波形のピークに対応する位置から予め定められた角度だけ離隔した位置としてもよい。

さらに、エンジンＥＣＵ２００は、積算値の最大値（ピーク値）に基づいて振動の強度を表わすノック強度Ｎを算出する。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の振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ／ＢＧＬという方程式で算出される。なお、ＢＧＬはたとえばシミュレーションや実験などに基づいて予め定められ、ＲＯＭ２０２に記憶される。また、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、算出されたノック強度ＮとＲＯＭ２０２に記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較し、さらに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１点火サイクルごとに判定する。

図９に示すように、判定値Ｖ（ＫＸ）は、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとした運転状態により区分される領域ごとに、マップとして記憶される。本実施の形態においては、低回転（ＮＥ＜ＮＥ（１））、中回転（ＮＥ（１）≦ＮＥ＜ＮＥ（２））、高回転（ＮＥ（２）≦ＮＥ）、低負荷（ＫＬ＜ＫＬ（１））、中負荷（ＫＬ（１）≦ＫＬ＜ＫＬ（２））、高負荷（ＫＬ（２）≦ＫＬ）で区分することにより、気筒ごとに９つの領域が設けられる。なお、領域の数はこれに限らない。また、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＫＬ以外のパラメータを用いて領域を区分するようにしてもよい。

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であるエンジンＥＣＵ２００が、ノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定して点火時期を制御するために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、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エンジン回転数ＮＥを検出するとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて吸入空気量ＫＬを検出する。

Ｓ１０２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。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表わす値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（積算値）を算出する。積算値の算出により、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、エンジン１００の振動波形における積算値のうち、最も大きい積算値（ピーク値Ｐ）を算出する。

Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、算出されたピーク値で、各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことをいう。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、ピーク値Ｐのクランク角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て、予め定められた範囲（１）における相関係数Ｋａを算出する。

Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、算出された相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいか否かを判定する。相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいと（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移される。もしそうでないと（Ｓ１１２にてＮＯ）、処理はＳ１２６に移される。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ピーク値Ｐのクランク角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て、予め定められた範囲（２）における相関係数Ｋｂを算出する。

Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、算出された相関係数Ｋｂが予め定められた値（２）よりも大きいか否かを判定する。なお、予め定められた値（２）は、実験的に適合される値であって、予め定められた値（１）と同じ値であってもよい。また、上述の予め定められた条件（２）は、相関係数Ｋｂが予め定められた値（２）よりも大きいという条件に対応する。相関係数Ｋｂが予め定められた値（２）よりも大きいと（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、処理はＳ１１８に移される。もしそうでないと（Ｓ１１６にてＮＯ）、処理はＳ１２６に移される。

Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ピーク値ＰをＢＧＬで除算してノック強度Ｎを算出する。

Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きいか否かを判別する。ノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きいと（Ｓ１２０にてＹＥＳ）、処理はＳ１２２に移される。もしそうでないと（Ｓ１２０にてＮＯ）、処理はＳ１２６に移される。

Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングが発生したと判別する。Ｓ１２４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。

Ｓ１２６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングが発生していないと判別する。Ｓ１２８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の動作について図１１を参照しつつ説明する。

エンジン１００の運転中において、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エンジン回転数ＮＥが検出されるとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて吸入空気量ＫＬが検出される（Ｓ１００）。また、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（Ｓ１０２）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が算出される（Ｓ１０４）。これにより、前述した図４に示すようなエンジン１００の振動波形が検出される。

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、強度が細かく変化することが抑制された振動波形を検出することができる。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。

算出された積算値に基づいてエンジン１００の振動波形における積算値のピーク値Ｐが算出される（Ｓ１０６）。

算出されたピーク値Ｐでエンジン１００の振動波形における積算値が除算されて、図１１に示すように、振動波形が正規化される（Ｓ１０８）。正規化により、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。これにより、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。

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、予め定められた範囲（１）における相関係数Ｋａが算出される（Ｓ１１０）。

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。また、振動波形とノック波形モデルとを比較することで、振動の減衰傾向など、振動の挙動からノッキング時の振動であるか否かを分析することができる。特に、図１１に示すように、振動波形のピークに対応するクランク角から減衰の前半部分の区間において、振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことにより、減衰後半部のノイズの有無に関わらずノック波形モデルとの乖離の小さい部分を除外することにより、振動波形がノッキングに対応する可能性が高いか否かを判定することができる。

相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいと（Ｓ１１２にてＹＥＳ）、正規化後の振動波形において振動の強度が最大と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、予め定められた範囲（２）における相関係数Ｋｂ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を数値化して客観的に判定することができる。また、振動波形とノック波形モデルとを比較することで、振動の減衰傾向など、振動の挙動からノッキング時の振動であるか否かを分析することができる。特に、振動波形が、部分的にも全体的にもノック波形モデルとの類似の度合が高いか否かを判定することにより、内燃機関に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。

さらに、ピーク値ＰをＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１８）。これにより、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が判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい場合（Ｓ１２０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１２２）、点火時期が遅角される（Ｓ１２４）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。

ノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい状態ではない場合（Ｓ１２０にてＮＯ）、相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも小さい場合（Ｓ１１２にてＮＯ）、あるいは、相関係数Ｋｂが予め定められた値（２）よりも小さい場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２６）、点火時期が進角される（Ｓ１２８）。このようにして、ノック強度Ｎと判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較することにより１点火サイクルごとにノッキングが発生したか否かが判定され、点火時期が遅角されたり、進角されたりする。

以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置によると、エンジンＥＣＵは、予め定められた範囲（１）において、振動波形とノック波形モデルとにおける相関係数Ｋａを算出する。算出された相関係数Ｋａが予め定められた値（１）よりも大きいという条件（１）を満足した場合に、振動波形とノック波形モデルとが部分的に類似することを判定することができる。すなわち、振動振動がノッキングである可能性が高いことを判定することができる。

さらに、エンジンＥＣＵは、予め定められた範囲（２）において、振動波形とノック波形モデルとにおける相関係数Ｋｂを算出する。算出された相関係数Ｋｂが予め定められた値（２）よりも大きいという条件（２）を満足した場合に、振動波形とノック波形モデルとが全体的に類似することを判定することができる。

すなわち、振動波形とノック波形モデルとにおける部分的な類似の度合も高く、全体的な類似の度合も高いことから、内燃機関にノッキングが発生したことをより精度よく判定することができる。したがって、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内燃機関のノッキング判定装置、判定方法およびその方法をコンピュータで実現されるプログラムならびにそのプログラムを記録した記録媒体を提供することができる。

また、条件（１）および条件（２）のうちのいずれかが満足しないと、振動波形とノック波形モデルとにおける部分的な類似の度合も全体的な類似の度合も低いことを判定することができる。そのため、内燃機関にノッキングが発生していないこと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、予め定められた範囲（１）は、予め定められた範囲（２）内において検出された複数のピークをそれぞれ始点として定められる複数の区間を有する範囲とするようしてもよい。このようすると、複数のピークにおいて、波形モデルと比較することにより、ピーク毎にノイズであるかノッキングであるかの判定をすることができる。たとえば、ピークを含む区間とノック波形モデルとの相関係数が小さいと、ピークを含む区間はノイズのピークを含む区間として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により制御されるエンジンを示す概略構成図である。 ノッキング時にエンジンで発生する振動の周波数帯を示す図である。 図１のエンジンＥＣＵを示す制御ブロック図である。 エンジンの振動波形を示す図（その１）である。 エンジンＥＣＵのＲＯＭに記憶されたノック波形モデルを示す図である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その１）である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その２）である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その３）である。 エンジンＥＣＵのＲＯＭに記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）のマップを示す図である。 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。 エンジンの振動波形を示す図（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、２０２ ＲＯＭ、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、３１４ エアフローメータ、３２０ 補機バッテリ、４００ Ａ／Ｄ変換部、４１０ バンドパスフィルタ、４２０ 積算部。

Claims (24)

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手段と、
   クランク角に対応させて、前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
   前記内燃機関の振動の強度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振動の波形を検出するための手段と、
   クランク角の予め定められた第１の範囲における、前記検出された波形と前記内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルとの第１の類似の度合を算出するための第１の算出手段と、
   前記算出された第１の類似の度合が予め定められた第１の条件を満足すると、前記第１の範囲よりも広いクランク角の予め定められた第２の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの第２の類似の度合を算出するための第２の算出手段と、
   前記算出された第２の類似の度合が予め定められた第２の条件を満足すると、前記検出された波形の強度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の範囲および前記第２の範囲は、前記検出された振動のピークに対応するクランク角を基準として始点および終点が定められる、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の範囲および前記第２の範囲のうちのいずれか一方は、前記検出された振動のピーク値に対応するクランク角を始点とする、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記第１の範囲および前記第２の範囲のうちのいずれか一方は、前記検出された振動のピーク値に対応するクランク角から予め定められた角度だけ離隔したクランク角を始点とする、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
5. 前記第１の範囲は、前記第２の範囲内において検出された複数のピークをそれぞれ始点として定められる複数の区間を有する範囲である、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
6. 前記第１の条件は、前記第１の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
7. 前記第２の条件は、前記第２の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である、請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
8. 前記第１の条件における予め定められた度合と前記第２の条件における予め定められた度合とは、同じ度合である、請求項７に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
9. 前記第１の算出手段は、前記第１の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの数値化された相関性を算出するための手段を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
10. 前記第２の算出手段は、前記第２の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの数値化された相関性を算出するための手段を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
11. 前記判定手段は、前記第１の条件および前記第２の条件のうちのいずれかが満足しないと、前記内燃機関にノッキングが発生していないことを判定するための手段を含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
12. 内燃機関のノッキング判定方法であって、
    前記内燃機関のクランク角を検出するステップと、
    クランク角に対応させて、前記内燃機関の振動の強度を検出するステップと、
    前記内燃機関の振動の強度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振動の波形を検出するステップと、
    クランク角の予め定められた第１の範囲における、前記検出された波形と前記内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルとの第１の類似の度合を算出する第１の算出ステップと、
    前記算出された第１の類似の度合が予め定められた第１の条件を満足すると、前記第１の範囲よりも広いクランク角の予め定められた第２の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの第２の類似の度合を算出する第２の算出ステップと、
    前記算出された第２の類似の度合が予め定められた第２の条件を満足すると、前記検出された波形の強度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判定ステップとを含む、内燃機関のノッキング判定方法。
13. 前記第１の範囲および前記第２の範囲は、前記検出された振動のピークに対応するクランク角を基準として始点および終点が定められる、請求項１２に記載の内燃機関のノッキング判定方法。
14. 前記第１の範囲および前記第２の範囲のうちのいずれか一方は、前記検出された振動のピーク値に対応するクランク角を始点とする、請求項１３に記載の内燃機関のノッキング判定方法。
15. 前記第１の範囲および前記第２の範囲のうちのいずれか一方は、前記検出された振動のピーク値に対応するクランク角から予め定められた角度だけ離隔したクランク角を始点とする、請求項１３に記載の内燃機関のノッキング判定方法。
16. 前記第１の範囲は、前記第２の範囲内において検出された複数のピークをそれぞれ始点として定められる複数の区間を有する範囲である、請求項１３に記載の内燃機関のノッキング判定方法。
17. 前記第１の条件は、前記第１の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である、請求項１２〜１６のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定方法。
18. 前記第２の条件は、前記第２の類似の度合が予め定められた度合よりも大きいという条件である、請求項１２〜１７のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定方法。
19. 前記第１の条件における予め定められた度合と前記第２の条件における予め定められた度合とは、同じ度合である、請求項１８に記載の内燃機関のノッキング判定方法。
20. 前記第１の算出ステップは、前記第１の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの数値化された相関性を算出するステップを含む、請求項１２〜１９のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定方法。
21. 前記第２の算出ステップは、前記第２の範囲における、前記検出された波形と前記波形モデルとの数値化された相関性を算出するステップを含む、請求項１２〜２０のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定方法。
22. 前記判定ステップは、前記第１の条件および前記第２の条件のうちのいずれかが満足しないと、前記内燃機関にノッキングが発生していないことを判定するステップを含む、請求項１２〜２１のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定方法。
23. 請求項１２〜２２のいずれかに記載のノッキング判定方法をコンピュータで実現されるプログラム。
24. 請求項１２〜２２のいずれかに記載のノッキング判定方法をコンピュータで実現されるプログラムを記録した記録媒体。

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