JP2010265757A - ノックセンサの故障判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】断線検出手段等の追加によるコストアップを抑え、さらに判定頻度を確保しつつ、精度良くノックセンサの故障を判定できる故障判定装置を提供する。
【解決手段】動弁機構の吸気バルブ３の着座による振動をノックセンサ８で検出し、その検出結果に基づいてノックセンサ８が正常であるか否かを判定する。まず、エンジン運転状態がノック制御領域であるか否かを判定し、ノック制御領域外であると判定された場合には、吸気バルブ３の着座タイミングと重なる区間である故障判定用のノックセンサ信号検出区間Ｗ２を算出する。そして、故障判定用検出区間Ｗ２でノックセンサ８により検出されたノックセンサ信号から周波数成分を算出し、その周波数成分に基づいてノックセンサ８が正常であるか否かを判定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ノックセンサの故障判定装置に関し、特に内燃機関のノッキングを検出するノックセンサの故障判定を行う故障判定装置に関するものである

従来のノックセンサの故障判定装置は、エンジン運転状態がノック制御領域内であるか否かを判断する手段と、ノックセンサの信号からノック周波数成分を算出する手段とを備え、エンジン運転状態がノック制御領域内に留まり所定時間経過した場合にノックセンサの信号に基づいてノック周波数成分を算出し、予め設定された判定用の閾値と比較することにより、ノックセンサの故障を判定するようにしている（例えば特許文献１を参照）。

特許第３１３１８９２号公報

しかしながら、従来の故障判定装置の場合、故障判定を実施する運転条件が、ノック制御領域内という限られた範囲に設定されており、判定頻度が低い（判定を実施できる機会が少ない）ということが懸念される。一般的に、ノック制御は、エンジンの高負荷運転条件がノック制御領域となっているため、例えばアイドル運転時等の低負荷運転状態ではノック判定領域外となると考えられ、かかるアイドル運転時等に故障判定を行うことはできない。また、エンジンの出力確保やエンジン保護の観点からも、ノックセンサの故障について早期な判定が必要となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、断線検出手段等の追加よるコストアップを抑え、さらに判定頻度を確保しつつ、精度良くノックセンサの故障を判定できる故障判定装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明のノックセンサの故障判定装置は、動弁機構を備えた内燃機関のノッキングの振動を検出するノックセンサの故障判定装置であって、動弁機構の動弁の着座による振動をノックセンサで検出し、その検出結果に基づいてノックセンサが正常であるか否かを判定することを特徴とする。

本発明によるノックセンサの故障判定装置によれば、動弁の着座の振動をノックセンサで検出してノックセンサが正常であるか否かを判定するので、エンジン運転状態が高負荷運転領域に限定されずに、広い運転領域でノックセンサの故障判定を実施することができる。さらに断線検出手段等の追加よるエンジンコントロールユニットのコストアップも抑え、かつ精度良くノックセンサの故障を判定できる。

第１実施の形態における火花点火内燃機関と制御装置の模式図。 第１実施の形態におけるコントロールユニットの内部構成図。 第１実施の形態におけるノックセンサの故障判定装置の構成を説明する制御ブロック図。 第１実施の形態におけるノックセンサ信号波形とノックセンサ信号検出区間の切り換えの関係を示すタイミングチャート。 第１実施の形態におけるノックセンサの故障判定方法を示したフローチャート。 第２実施の形態におけるノックセンサの故障判定装置の構成を説明する制御ブロック図。 第２実施の形態におけるノックセンサ信号波形とノックセンサ信号検出区間の切り換えの関係を示すタイミングチャート。 第２実施の形態におけるノックセンサの故障判定方法の実施例を示したフローチャート。 第２実施の形態におけるノックセンサの故障判定方法の他の実施例を示したフローチャート。

［第１実施の形態］
以下、第１実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係わる火花点火内燃機関とその制御装置の基本構成図である。なお、本実施の形態では、ノックセンサの故障判定装置が適用される火花点火内燃機関として、筒内噴射式の火花点火内燃機関の場合を例に説明を進めていくが、ポート噴射式の火花点火内燃機関においても適用可能である。

図１において、エンジン（火花点火内燃機関）１には、ピストン２と、吸気バルブ３および排気バルブ４の各動弁を有する動弁機構とが備えられ、吸気は、空気流量計（ＡＦＭ）１８を通過して絞り弁１７に入り、分岐部であるコレクタ１４より吸気管１０、吸気バルブ３を介してエンジン１の燃焼室１９に供給される。

燃料は、燃料噴射弁５から、エンジン１の燃焼室１９に噴射供給され、点火コイル７、点火プラグ６で点火される。燃焼室１９で燃焼した後の排気ガスは、排気バルブ４を介して排気管１１に排出され、排気管１１には排気ガス浄化の為の三元触媒１２が備えられている。

エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９には、エンジン１のクランク角度センサ１５の信号、ＡＦＭ１８の空気量信号、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号、アクセル開度センサ２０のアクセル開度等の信号が入力される。

エンジンコントロールユニット９は、アクセル開度センサ２０の信号からエンジン１への要求トルクの算出、アイドル状態の判定等を行ない、エンジン１に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号を絞り弁１７に出力する。また、燃料噴射弁５へは燃料噴射信号が、点火プラグ６へは点火信号が出力される。

そして、エンジン１に取り付けられたノックセンサ８がエンジン１の異常燃焼時に発生する異音（ノッキング）の振動を検出した場合には、その異音振動の検出信号に基づいて点火信号をフィードバック制御するノック制御が行われている。

図２は、コントロールユニット９の内部構成を示したものである。コントロールユニット９は、入力回路１０１、Ａ／Ｄ変換部１０２、中央演算部（ＣＰＵ）１０３、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５、及び出力回路１０６を含んだマイクロコンピュータにより構成されている。

入力回路１０１は、入力信号１００がアナログ信号の場合（例えば、ＡＦＭ１８、アクセル開度センサ２０等からの信号）、該入力信号１００からノイズ成分の除去等を行い、当該信号をＡ／Ｄ変換部１０２に出力する処理を行う。

中央演算部１０３は、Ａ／Ｄ変換部１０２からＡ／Ｄ変換結果を取り込み、ＲＯＭ１０４等の媒体に記憶された燃料噴射制御プログラムやその他の制御プログラムを実行することによって、各制御及び診断等を実行する機能を備えている。なお、演算結果、及び、前記Ａ／Ｄ変換結果は、ＲＡＭ１０５に一時保管されるとともに、演算結果は、出力回路１０６を通じて制御信号１０７として出力され、燃料噴射弁５、点火コイル７等の制御に用いられる。

図３は、本実施の形態におけるノックセンサの故障判定装置の制御ブロック図である。ノックセンサ信号検出区間算出部３０１、ノック制御領域判定部３０２、ノックセンサ信号検出区間切り換え判定部３０３、周波数成分算出部３０４、故障確定部３０５、ノック指数算出部３０６は、エンジンコントロールユニット９内の中央演算部１０３にてノックセンサ故障判定用の制御プログラムを実行することによって実現される。

ノック制御領域判定部３０２は、エンジン回転数とエンジン負荷の値に基づいて、エンジン運転状態がノック制御領域内であるか否かを判定する。ノックセンサ信号検出区間切り換え判定部３０３は、ノック制御領域判定部３０２によってエンジン運転状態がノック制御領域外であると判定された場合に、ノックセンサ８によって信号を検出するノックセンサ信号検出区間Ｗを、ノック制御用のノックセンサ信号検出区間（以下、ノック制御用検出区間）Ｗ１から故障判定用のノックセンサ信号検出区間（以下、故障判定用検出区間）Ｗ２に切り換える処理を行う。

ノックセンサ信号検出区間算出部３０１は、中央演算部１０３に入力されたクランク角度センサ１５の信号及びカム角センサの信号と、ノックセンサ信号検出区間切り換え判定部３０３の判定結果に基づき、ノックセンサ信号検出区間Ｗの算出を行なう。

周波数成分算出部３０４は、ノックセンサ信号検出区間算出部３０１によって算出されたノックセンサ信号検出区間Ｗにおける周波数成分を算出する。そして、故障確定部３０５は、ノック制御領域判定部３０２によってエンジン運転状態がノック制御領域外であると判定された場合には、周波数成分算出部３０４によって算出された周波数成分に基づいて、ノックセンサが正常であるか否かを判定する処理を行う。

ノック指数算出部３０６は、ノック制御領域判定部３０２によってエンジン運転状態がノック制御領域内であると判定された場合には、周波数成分算出部３０４によって算出された周波数成分に基づいて、ノック指数を算出する。

次に、ノックセンサ８の故障判定方法について図４及び図５を用いて以下に説明する。図４は、ノックセンサ信号波形とノックセンサ信号検出区間の切り換えの関係を示すタイミングチャート、図５は、ノックセンサ故障判定方法を説明するフローチャートである。

ノックセンサ８が正常でありエンジン１から異常燃焼によるノッキングが発生した場合、その異音振動によって、図４に示すように、燃焼後の圧縮上死点付近にてノックセンサ信号にノック波形Ａが発生する。一方、ノックセンサ８によって検出されるノックセンサ信号には、エンジン１から発生するノッキング以外の要因によるものがある。

例えば、振動、具体的には動弁機構の吸気バルブ３や排気バルブ４がバルブシートに着座したときの振動によるものであり、かかる振動をノックセンサ８で検出することができる。バルブの着座振動は、ノッキングにより発生する異音振動と異なり、エンジン回転中であれば常に所定間隔をおいて発生している。

したがって、ノックセンサ８が正常であるときのノックセンサ信号には、ノッキングによる異常振動の波形とバルブの着座による着座振動の波形の両方が含まれるが、ノックセンサ８が故障しているときのノックセンサ信号には、これらの振動波形は発生しないことになる。

また、ノック制御では、ノッキング以外の要因により発生する波形を、ノッキングの異常振動の波形として誤検出しないようにするために、ノックセンサ信号検出区間（ウィンドウ）Ｗを設定して、そのノックセンサ信号検出区間Ｗにおいてのみ、ノッキングを検出する処理を行っている。

ノックセンサ信号検出区間Ｗは、中央演算部１０３に入力されたクランク角度センサ１５の信号及びカム角センサの信号に基づいて算出され、圧縮上死点（ＴＤＣ）を基準として区間開始点と区間終了点が設定される。

本発明では、前述したノックセンサ故障時にノックセンサ信号に波形が発生しないこと、エンジン回転中に常時発生する波形があること、の二つの点に着目した。

具体的には、ノック制御用と故障判定用とでノックセンサ信号検出区間Ｗを別設定とし、エンジン運転状態がノッキング制御領域内か否かの判定結果に基づき、ノックセンサ信号検出区間Ｗの切り換えを実施することとした。

ここで、故障判定用検出区間Ｗ２（例えば図４を参照）は、前述したようにエンジン回転中は常時波形が発生する、動弁機構の吸気バルブ３または排気バルブ４の着座を狙った設定とする。これにより、ノックセンサ正常時には、ノックセンサ信号にバルブの着座振動の波形が発生し、ノックセンサ故障時には、着座振動の波形が発生せず、ノックセンサ８の正常時と故障時の切り分けが可能となる。

次に、ノックセンサ８の故障判定方法について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。ステップＳ５０１ではエンジン回転数やエンジン負荷といった運転条件を基にノック制御領域が成立したか否かが判定される。ここで、エンジン運転状態がノック制御領域内である場合には、ノック制御領域成立（ＹＥＳ）と判断され、エンジン運転状態がノック制御領域外である場合には、ノック制御領域不成立（ＮＯ）と判断される。

ノック制御領域成立時（ステップＳ５０１でＹＥＳ）には、ステップＳ５０２に移行し、ノックセンサ信号検出区間算出部３０１によって算出されたノック制御用検出区間Ｗ１が設定される。

そして、ステップＳ５０３でノック制御用検出区間Ｗ１内のノックセンサ信号に基づいて周波数成分（ＫＤＬ）が算出され、その後、ステップＳ５０４で周波数成分（ＫＤＬ）からノック指数が算出される。

そして、ステップＳ５０５において、ステップＳ５０４で算出されたノック指数に基づいてノック制御が実行される。ノック指数とは、ノック制御において、点火時期を進角もしくは遅角させる指標となるものであり、例えば、ノック指数が高ければ、ノッキングが生じているとして点火時期が遅角側に制御され、ノック指数が低ければ、ノッキングが生じていないと判定される。なお、ステップＳ５０５で実行されるノック制御は、一般的なノック制御であり、その詳細な説明を省略する。

一方、ステップＳ５０１でノック制御領域が成立していないと判定された場合（ステップＳ５０１でＮＯ）には、ステップＳ５０６に移行し、ノックセンサ信号検出区間算出部３０１によって算出された故障判定用検出区間Ｗ２が設定される。

そして、ステップＳ５０７で故障判定用検出区間Ｗ２内のノックセンサ信号に基づいて周波数成分（ＫＤＬ）が算出される。その後、ステップＳ５０８において周波数成分（ＫＤＬ）が所定値以上あるか否かを判定する処理が行われる。

ここで、周波数成分（ＫＤＬ）が所定値以上であると判定された場合（ステップＳ５０８でＹＥＳ）には、ステップＳ５０９に移行し、正常判定回数カウンタに１を加算する。カウンタは初期値を０にセットしてあり、またステップＳ５０１でノック制御領域が不成立と判定されたときも０にセットされる。

次に、ステップＳ５１０で正常判定回数カウンタが所定値以上になっているか否かを判定する。ステップＳ５１０で正常判定回数カウンタが所定値未満（ステップＳ５１０でＮＯ）の場合は、そのまま処理を終了し、正常判定回数カウンタが所定値以上（ステップＳ５１０でＹＥＳ）の場合は、ステップＳ５１１に移行し、ノックセンサ８の正常判定が確定した、すなわち、ノックセンサ８は正常であると判定し、処理を終了する。

一方、ステップＳ５０８で周波数成分（ＫＤＬ）が所定値未満と判定された場合（ステップＳ５０８でＮＯ）は、ステップＳ５１２へ進み、ステップＳ５１２で異常判定回数カウンタに１を加算する。カウンタは初期値を０にセットしてあり、またステップＳ５０１でノック制御領域が不成立と判定されたときも０にセットされる。

次に、ステップＳ５１３で異常判定回数カウンタが所定値以上になっているか否かを判定する。ステップＳ５１３で異常判定回数カウンタが所定値未満（ステップＳ５１３でＹＥＳ）の場合は、そのまま処理を終了し、異常判定回数カウンタが所定値以上（ステップＳ５１３でＹＥＳ）の場合は、ステップＳ５１４に移行し、ノックセンサ８の異常判定が確定した、すなわち、ノックセンサ８は異常であると判定し、処理を終了する。

上記したノックセンサ８の故障判定装置によれば、バルブの着座振動をノックセンサ８で検出することにより、ノックセンサ８が正常であるか否かを判定するので、ノックセンサ８の故障判定を行うエンジン運転状態が高負荷運転領域に限定されず、エンジン運転中であればノックセンサ８の故障判定を行うことができる。従って、判定頻度を高くすることができ、簡単に精度良くノックセンサ８の故障を判定することができる。

なお、上述の第１実施の形態では、吸気バルブ３の着座振動をノックセンサ８で検出する場合を例に説明したが、排気バルブ４の着座振動を検出してもよい。また、上述の第１実施の形態では、ウィンドウ（ノック制御用検出区間Ｗ１と故障判定用検出区間Ｗ２）を切り換えて、いずれか一方を検出する場合を例に説明したが、ノックセンサ８で吸気バルブ３の着座振動を検出することができればよく、２つのウィンドウＷ１、Ｗ２の両方を常に監視する構成としてもよい。

［第２実施の形態］
次に、本発明の第２実施の形態について図に基づいて以下に説明する。なお、第１実施の形態と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

本実施の形態において特徴的なことは、エンジン１が可変動弁機構を有する場合に、可変動弁の着座のタイミングが進角または遅角されるのに応じて、故障判定用検出区間Ｗ２の位置を変更することである。

ノックセンサ信号検出区間算出部３０１は、図６に示すように、カム角センサ信号およびクランク角センサ信号に加えて、可変動弁機構による吸気／排気バルブ進角量の情報を入力し、ノックセンサ信号検出区間切り換え判定部３０３の判定結果に基づき、ノックセンサ信号検出区間Ｗの算出を行なう。

例えば、カム位相の移動により、図７のタイミングチャートに示すように、第３気筒（＃３ｃｙｌ）の吸気バルブ３の開閉タイミングを進角させて、図中に実線で示す吸気バルブ最遅角の開閉タイミングから、図中に破線で示す吸気バルブ最進角の開閉タイミングに移動させた場合に、第３気筒の吸気バルブ３の着座によって発生する振動の波形も進角側に移動する。

従って、吸気バルブ３が着座するタイミングと重なるように、故障判定用検出区間Ｗ２を進角側の故障判定用検出区間Ｗ２’に変更する。これにより、可変動弁の着座振動を適切に検出することができ、ノイズ等の誤検出を防止し、ノックセンサ８の故障判定を正確に行うことができる。

図８は、本実施の形態におけるノックセンサの故障判定方法について説明するフローチャートである。本実施例では、ステップＳ５０１でノック制御領域が成立していないと判定された場合（ＮＯ）には、ステップＳ５１５に移行し、可変動弁機構が正常であるか否かが判定される。

そして、ステップＳ５１５で可変動弁機構が正常である（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳ５０６に移行して、ノックセンサ８が正常であるか否かの判定が行われる。このステップＳ５０６以降におけるノックセンサ８が正常であるか否かの判定は、第１実施の形態と同様であるのでその詳細な説明を省略する。一方、ステップＳ５１５で可変動弁機構が正常ではない（ＮＯ）と判断された場合には、ノックセンサ８の故障判定処理を終了する。すなわち、本実施例では、可変動弁機構が故障している場合には、ノックセンサ８の故障判定は行わない。

また、他の実施例として、可変動弁機構が故障している場合には、バルブ最遅角における着座タイミングからバルブ最進角における着座タイミングまでの間の区間を故障判定用検出区間Ｗ２として、ノックセンサ８の故障判定を積極的に実施してもよい。

図９は、ノックセンサの故障判定方法の他の実施例について説明するフローチャートである。本実施例では、ステップＳ５１５で可変動弁機構が正常である（ＹＥＳ）と判定された場合には、ステップＳ５０６に移行して、ノックセンサ８が正常であるか否かの判定が行われる。

そして、ステップＳ５１５で可変動弁機構が正常ではない（ＮＯ）と判断された場合には、ステップＳ５１６に移行し、吸気バルブ３のバルブ最遅角における着座タイミングからバルブ最進角における着座タイミングまでの間の区間を故障判定用検出区間Ｗ２として設定する。そして、ステップＳ５０７に移行し、故障判定用検出区間Ｗ２内のノックセンサ信号に基づいて周波数成分（ＫＤＬ）を算出する処理が行われる。

図９に示す実施例によれば、バルブ最遅角における着座タイミングからバルブ最進角における着座タイミングまでの間の区間を故障判定用検出区間Ｗ２とすることによって、可変動弁機構が正常でない場合であっても、ノックセンサ８の故障判定を積極的に実施することができる。なお、上述の第２実施の形態では、吸気バルブ３の着座振動をノックセンサ８で検出する場合を例に説明したが、排気バルブ４の着座振動を検出してもよい。

以上、本発明の各実施形態について詳述したが、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。

１・・・エンジン
２・・・ピストン
３・・・吸気バルブ
４・・・排気バルブ
５・・・燃料噴射弁
６・・・点火プラグ
７・・・点火コイル
８・・・ノックセンサ
９・・・ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０・・・吸気管
１１・・・排気管
１２・・・三元触媒
１３・・・酸素センサ
１４・・・コレクタ
１５・・・クランク角度センサ
１６・・・シグナルプレート
１７・・・絞り弁
１８・・・ＡＦＭ
１９・・・燃焼室
２０・・・アクセル開度センサ

Claims (8)

1. 動弁機構を備えた内燃機関のノッキングの振動を検出するノックセンサの故障判定装置であって、
   前記動弁機構の動弁の着座による振動を前記ノックセンサで検出し、該検出結果に基づいて前記ノックセンサが正常であるか否かを判定することを特徴とするノックセンサの故障判定装置。
2. 前記内燃機関の回転数と負荷に基づき前記内燃機関の運転領域が予め設定されたノック制御領域であるか否かを判定するノック制御領域判定部と、
   該ノック制御領域判定部の判定結果に基づいて、ノック制御用のノックセンサ信号検出区間と故障判定用のノックセンサ信号検出区間のいずれを選択するかを判定するノックセンサ信号検出区間切り換え判定部と、
   該ノックセンサ信号検出区間切り換え判定部によって前記故障判定用のノックセンサ信号検出区間が選択された場合に、前記動弁の着座のタイミングと重なる区間を算出して、前記故障判定用のノックセンサ信号検出区間として設定するノックセンサ信号検出区間算出部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載のノックセンサの故障判定装置。
3. 前記ノックセンサ信号検出区間算出部は、前記ノック制御領域判定部によって前記内燃機関の運転領域がノック制御領域であると判定された場合に、前記ノッキングが発生するタイミングと重なる区間を算出して、ノック制御用のノックセンサ信号検出区間として設定することを特徴とする請求項２に記載のノックセンサの故障判定装置。
4. 前記ノックセンサ信号検出区間算出部により算出された前記ノックセンサ信号検出区間にて前記ノックセンサから入力されたノックセンサ信号を周波数分析し、該ノックセンサ信号の周波数成分を算出する周波数成分算出部と、
   該周波数成分算出部によって算出された前記周波数成分に基づいて、前記ノックセンサが正常であるか否かを判定する故障確定部と、を有することを特徴とする請求項２または３に記載のノックセンサの故障判定装置。
5. 前記故障確定部は、前記周波数成分算出部によって算出された前記周波数成分が所定値以上である場合に前記ノックセンサは正常であると判定し、前記周波数成分が所定値未満である場合に前記ノックセンサは異常であると判定することを特徴とする請求項４に記載のノックセンサの故障判定装置。
6. 前記動弁機構が可変動弁機構である場合に、
   前記ノックセンサ信号検出区間算出部は、前記可変動弁機構の動弁の進角量に応じて前記故障判定用のノックセンサ信号検出区間を変更することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載のノックセンサの故障判定装置。
7. 前記可変動弁機構が正常に動作しているか否かを判定する可変動弁正常判定部を有し、
   該可変動弁正常判定部により、前記可変動弁が正常ではないと判定された場合に、前記ノックセンサの故障判定を禁止することを特徴とする請求項６に記載のノックセンサの故障判定装置。
8. 前記可変動弁機構が正常に動作しているか否かを判定する可変動弁正常判定部を有し、
   前記ノックセンサ信号検出区間算出部は、前記可変動弁正常判定部により前記可変動弁が正常ではないと判定された場合に、バルブ最遅角における着座タイミングとバルブ最進角における着座タイミングとの間の区間を前記ノックセンサ故障判定用のノックセンサ信号検出区間として設定することを特徴とする請求項６に記載のノックセンサの故障判定装置。

Images