JP2011012671A - 内燃機関用の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流のピーク位置を正確に抽出できる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】点火コイルＣＬをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移後に発生する検出信号Ｖｏのピーク位置ＰＫに基づき、ピーク位置ＰＫより所定の後方位置（＋α）を検索開始点ＢＧに特定する第１手段（ＳＴ２）と、検索開始点ＢＧから時間軸上を後方向きに検索して、検出信号Ｖｏが最低値を示す最深点ＤＰを特定する第２手段（ＳＴ４）と、最深点ＤＰから時間軸上を後方向きに探索して、検出信号Ｖｏが最大値になる頂点位置を第二ピーク位置ＴＯＰに特定する第３手段（ＳＴ５）と、第二ピーク位置ＴＯＰに基づいてその後の判定処理を実行する判定手段とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関において、その燃焼を適切に制御できる装置に関し、特に、内燃機関の動作状態に拘わらず、イオン電流の第二ピーク位置を正確に抽出できる燃焼制御装置に関する。

一般に、内燃機関の燃焼室に発生するイオン電流は、点火放電後の放電ノイズ収束後に第一ピークを示し、上死点ＴＤＣの手前で減少して再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となり、イオン電流も第二ピークを示すことが知られている。図１１（ａ）は、この関係を図示したものであり、筒内圧が最大値Ｐｍａｘとなる位置と、イオン電流の第二ピーク位置とがほぼ一致している。

そして、この第二ピークの位置より後半のイオン電流波形を解析することで、ノッキング（以下ノックという）の発生を検出することが可能となる。また、第二ピークの位置に基づいて、適切なＭＢＴ(Minimum advance for the Best Torque)制御も可能となる。

そこで、この第二ピーク位置を正確に特定するべく、各種の方法が提案されている（特許文献１）。例えば、特許文献１には、点火放電時に発生する放電ノイズの終了タイミングを正確に把握する方法が開示されている。

しかし、この方法では、放電ノイズの終了タイミングを特定するための特別のソフトウェア処理が必要となり、その処理時間が無視できないという問題がある。そこで、一般には、簡易性を重視して、第二ピーク位置を検出すべき判定区間（検出ウインド）を予め特定しておく手法が採られる。そして、この検出ウインドの始点と終点とは、運転条件に対応して予め特定されている。なお、運転条件は、例えば、エンジンの回転数、エンジンの吸気管圧力、車速、エンジン冷却水温度などに基づいて特定される。

特開２００９−１１５０２３号公報

しかしながら、本発明者の研究によると、運転条件が同一でも、遅角制御などによって点火タイミングが変わると、検出ウインド内で、第二ピーク位置を特定できないことがあることが判明した。図１１（ｂ）と図１１（ｃ）は、この点を説明する図面であり、２つのイオン電流波形を、点火放電時（ｔ＝０）を始点として図示している。なお、遅角制御中であり、点火タイミングは各々相違する。

図示例の場合、従来技術では、運転条件が同一であるため、同一の検出ウインドが当て嵌められる。そのため、検出ウインド内で第二ピーク位置が正確に特定できる場合（図１１（ｂ））だけでなく、検出ウインド内で、矢印で示す第二ピーク位置を特定できない場合（図１１（ｃ））も生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、イオン電流波形の第二ピーク位置を比較的容易且つ高精度に検出して適切な燃焼制御を実現できる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の燃焼制御装置は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、前記制御装置は、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移に対応して検出信号の取得処理を開始し、取得値が非有意レベルに収束するまでの一連の検出信号を取得する取得手段と、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移後に発生する検出信号のピーク位置ＰＫに基づき、前記ピーク位置より所定の後方位置（＋α）を検索開始点ＢＧに特定する第１手段と、前記検索開始点ＢＧから時間軸上を後方向きに検索して、前記検出信号が最低値を示す最深点ＤＰを特定する第２手段と、前記最深点ＤＰから時間軸上を後方向きに探索して、前記検出信号が最大値になる頂点位置を第二ピーク位置ＴＯＰに特定する第３手段と、前記第二ピーク位置ＴＯＰに基づいてその後の判定処理を実行する判定手段と、を有して構成される。

前記所定の後方位置（＋α）は、その時々の運転条件に対応して決定されるのが好ましい。また、第３手段は、鋭角的で急峻な頂点を除いて第二ピーク位置を特定するのが好ましい。

前記判定処理は、燃焼室でノッキングが発生しているか否かのノック判定であって、前記検出信号は、所定の補正区間［ｔｓ，ｔｅ］について、窓関数による補正演算を経た上で、ＢＰＦ(Band Pass Filter)処理が施され、前記補正区間の始点ｔｓは、前記最深点ＤＰに設定されるのが好適である。

また、前記補正区間の終点ｔｅは、前記第二ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前に設定され（Ｔｅ＝ＴＯＰ−δ）、前記ＢＰＦ処理後のデータについて前記終点ｔｅ以降を評価してノック判定が実行されるのが好ましい。

前記窓関数は、ハニング窓又はハミング窓であるのが好適であり、前記判定手段は、前記補正区間の補正終了点ｔｅ以降のデータを評価してノック判定をするのが好ましい。また、前記判定手段は、第二ピーク位置に基づいて、ＭＴＢ評価を実行するのも好適である。

ところで、正常燃焼時と全く同一の運転条件でも、時として、ノック信号と同じ周波数域において同様の挙動を示す定在波が発生することがある。そして、ノック信号を見落とすことが許されない一方で、逆に、定在波をノック信号と誤認したのでは、その後、内燃機関がノック回避の燃焼制御に移行することで十分な運転性能を発揮できない弊害が生じる。

そこで、本発明者は、打撃音が発生しない正常燃焼時における正常なイオン信号（第１グループ）、打撃音が発生しない正常燃焼時において定在波が重畳したイオン信号（第２グループ）、及び、検出対象のノック信号が重畳したノック発生時のイオン信号（第３グループ）、の各イオン信号波形について、ウェーブレット解析を繰返した。

その結果、ノック信号の周波数帯域を通過させるＢＰＦ(band pass filter)で処理しただけでは、第２グループと第３グループのイオン信号を峻別できないものの、ＢＰＦ処理後の信号の包落線に着目すると、第２グループと第３グループのイオン信号を峻別できることが明らかとなった。

そこで、内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号を取得する信号取得部と、取得されたイオン信号から、ノック信号の周波数帯域の信号を抽出する一次フィルタ部と、一次フィルタ部で抽出された一次処理信号の包落線に対応する包絡信号から、所定の周波数帯域の評価信号を抽出する二次フィルタ部と、二次フィルタ部で抽出された前記評価信号に基づいて、ノック発生の有無を評価する判定部と、を設けてノック判定をするのが好ましい。

この場合、一次フィルタ部では、予め実験的に特定されるノック信号の周波数（通常は５〜１０ｋＨｚ程度）を通過域とするＢＰＦとされる。そして、一次フィルタ部から出力される一次処理信号は、二次フィルタ部において、一次処理信号の包絡線に対応する包絡信号に成形される。本発明者の研究結果によれば、一次処理信号の包絡線には、ノック発生時だけ特異的な信号（評価信号と称することにする）が重畳することが確認されている。この評価信号の周波数は、予めウェーブレット解析などによって特定されるが、通常の内燃機関では、１．０ｋＨｚ〜２．５ｋＨｚの範囲内の周波数帯域を有している。したがって、後述する実施例では、二次フィルタ部として、１．６ｋＨｚ〜２．２ｋＨｚの周波数帯域を通過域とするＢＰＦを採用している。

一次フィルタ部や二次フィルタ部は、通常のデジタルフィルタであっても良いが、好ましくは、適宜に周波数設計されたウェーブレットと、被処理信号（イオン信号や判定信号）との畳み込み演算によって実現される。

より好ましくは、一次フィルタ部では、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数ＨＲｅ（ｊ），ＨＩｍ（ｊ）と、イオン信号Ｆ（ｋ）に対して、（式１ａ）（式１ｂ）の演算が実行される。

Ｘ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊ＨＲｅ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ａ）
Ｙ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊ＨＩｍ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ｂ）
なお、（式１ａ）及び（式１ｂ）では下記（１）〜（４）が成立する。
（１）バンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）において、
サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌに対して、
整数値ｉ＝Ｌ＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ−１）
（２）抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部ＨＲｅ（ｊ）と虚数部ＨＩｍ（ｊ）において、
整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ／２−１）
（３）（式１ａ）（式１ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ−１
（４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲

一次フィルタ部２’について上記した点は、二次フィルタ部４’についても同様であり、好ましくは、二次フィルタ部４’では、所定の周波数帯域のバンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数ＨＲｅ’（ｊ），ＨＩｍ’（ｊ）と、包絡信号ＳＧ１（ｋ）に対して、
（式２ａ）（式２ｂ）の畳み込み演算が実行される。

Ｘ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊ＨＲｅ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ａ）
Ｙ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊ＨＩｍ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ｂ）
なお、（式２ａ）及び（式２ｂ）では下記（１）〜（４）が成立する。
（１）バンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）において、
サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌ’に対して、
整数値ｉ＝Ｌ’＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’−１）
（２）抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部ＨＲｅ’（ｊ）と虚数部ＨＩｍ’（ｊ）において、
整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’／２−１）
（３）（式２ａ）（式２ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ’−１
（４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ’／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ’／２＋ｎまでの整数範囲

本発明の包絡信号ＳＧ１（ｎ）は、一次処理信号の包落線に対応する形状を有するものであれば、特に限定されないが、好ましくは、一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）と、虚数出力Ｙ１（ｎ）の二乗和の平方根であって、ＳＧ１（ｎ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ１２（ｎ）＋Ｙ１２（ｎ））で与えられる。或いは、演算量を抑制する趣旨から、本発明の包絡信号は、一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）または虚数出力Ｙ１（ｎ）に対する絶対値ＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｘ１（ｎ））又はＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｙ１（ｎ））で与えられるのも好適である。

また、本発明の評価信号ＳＧ２は、燃焼室の点火プラグがｔ＝０で点火放電してから所定時間（通常は２ｍＳ程度）経過した後に発生することが確認されている。したがって、少なくとも、点火放電の終了直後の振動波を排除して一次フィルタ部を機能させるのが好ましく、また、判定部についても、点火放電開始からの経過時間２ｍＳ〜４ｍＳあたりの評価区間について評価信号ＳＧ２を判定するのが好ましい。そのため、点火放電の終了直後の振動波を０に抑制すると共に、評価区間の開始点に向けて信号レベルを漸増させるべく、信号取得部１で取得したイオン信号に、適宜なハニング窓を利用した補正関数を作用させるのが好ましい。

上記した本発明によれば、イオン電流波形の第二ピーク位置を容易且つ高精度に検出してノック判定ができるなど、適切な燃焼制御を実現することができる。

実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 図１の燃焼制御装置の動作を説明するタイムチャートである。 図１の燃焼制御装置の動作を説明するフローチャートである。 処理内容の一部を説明する波形図である。 処理内容の別の一部を説明する波形図である。 ノック発生の有無を判定するアルゴリズムを説明するフローチャートである。 ノック信号と区別が困難な定在波の重畳したイオン信号を図示したものである。 窓関数を作用させる補正演算を説明する図面である。 抽出関数の導出過程を説明する図面である。 逆フーリエ変換を説明する図面である。 従来技術の問題点を説明する図面である。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、実施例に係る燃焼制御装置ＤＥＴを示す回路図であり、図２は、燃焼制御装置ＤＥＴ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

図１に示す通り、この燃焼制御装置ＤＥＴは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流ｉｃ１をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。

そして、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、ＥＣＵのＡ／Ｄコンバータ（不図示）に供給され、デジタルレベルの検出信号としてＥＣＵのメモリに記憶される。ここで、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、点火パルスＳＧの立下りタイミングからイオン電流が消滅するまでのデータ取得区間において取得される。なお、点火放電直後に、放電ノイズとも称されるＬＣ振動波が発生する（図２（ｃ））。

以下、回路構成について詳述すると、スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成の燃焼制御装置ＤＥＴでは、タイミングＴ０において、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧（イオン検出信号）Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流ｉに比例した値となる。

続いて、燃焼制御装置ＤＥＴの動作のうち、特に、イオン検出信号Ｖｏの第二ピーク位置ＴＯＰの特定方法を説明する。図３は、この特定方法を説明するフローチャートであり、ＥＣＵによって実行される。

ＥＣＵは、点火サイクル毎に、データ取得区間におけるイオン検出信号Ｖｏを取得した後、運転条件に対応して、第１基準点Ａ及び第１基準点Ｂである基準パラメータを特定する。これらの基準パラメータは、第１基準点Ａまでの区間に、必ず、放電ノイズ区間が含まれるよう設定され、また、第２基準点Ｂまでの区間に、必ず、第二ピーク位置が含まれるよう設定されて、ＥＣＵの記憶装置に記憶されている。

ここで、基準パラメータの値（時間位置）は、点火パルスＳＧの立下りエッジ（Ｔ０）を基準位置として、実験的に最適値が特定されており、運転条件毎に異なる。なお、運転条件には、エンジン回転数と、エンジンの吸気管圧力とが含まれるが、点火タイミングは含まれない。したがって、ＥＣＵに、基準パラメータを膨大に格納しておく必要はない。なお、第１基準点Ａは、放電ノイズ区間のピーク位置を検出するための検索範囲を規定するに過ぎないので、固定的な値を採っても良く、この場合には、ＥＣＵの記憶装置の記憶量が大きく抑制される。

図４（ａ）は、運転条件が同一で、点火タイミングが相違する２つのイオン検出信号（第１波形、第２波形）について、第１基準点Ａと第２基準点Ｂとを図示したものである。この実施例では、運転条件に基づき、第１基準点Ａ＝１．５ｍＳ、第２基準点Ｂ＝３ｍＳに設定されている。

ステップＳＴ１の処理が終われば、次に、放電ノイズのピーク位置を特定し、このノイズピーク位置ＰＫを基準に、検索開始点ＢＧを特定する（ＳＴ２）。このステップＳＴ２の処理は、第二ピーク位置の検索範囲から、放電ノイズ区間を除去するための処理であり、具体的には、［検索開始点ＢＧ←ノイズピーク位置ＰＫ＋補正値α］の演算が実行される。なお、放電ノイズ区間は、ＬＣ振動区間であって、それほど変化しないが、補正値αとして、運転条件に応じた最適値が実験的に特定されるのが好ましい。図示の実施例では、図４（ｂ）に示すように、第１波形、第２波形とも、補正値α＝０．３ｍＳに設定されている。

ところで、ステップＳＴ２の処理では、放電ノイズのピーク位置ＰＫが問題になるが、このノイズピーク値は、突出して高レベルであるので、これを検出することに、特段のソフトウェア負担は生じない。また、必ずしも、ステップＳＴ２のタイミングで、ノイズピーク位置ＰＫを特定する必要はなく、例えば、イオン検出信号Ｖｏの取得処理に並行して、ノイズピーク位置ＰＫを特定しても良い。

何れにしても、ステップＳＴ２に続いて、第２基準点Ｂから時間軸を前方方向に探索して、最初に検出される頂点を検索終了点ＦＮとする（ＳＴ３）。なお、イオン検出信号Ｖｏにノイズ成分が重畳していることも考慮して、ステップＳＴ３の頂点検索処理では、鋭角的で急峻な頂点は、これを排除して評価するのが好ましい。例えば、１００μＳ程度離間した２つのデータについて、各データの時間微分値（探索方向の値）が、正から負に変化した場合であって、各微分値が所定の数値範囲内であれば、その間に頂点が存在すると判定する。

図５（ａ）は、ステップＳＴ３の処理によって特定された検索終了点ＦＮを、第１波形及び第２波形について示している。ステップＳＴ３の処理で特定される検索終了点ＦＮは、これが第二ピーク位置ＴＯＰであることも多いが、本実施例では、敢えて検索終了点ＦＮとして、更に検索を継続している。そのため、例えば、図１１（ａ）の波形のように、第二ピーク位置の後段に脈動部分（破線部参照）が存在する場合でも、正しく第二ピーク位置を特定することができる。

ステップＳＴ３の処理が終われば、次に、検索開始点ＢＧから検索終了点ＦＮの間で最小位置を特定して、最深点ＤＰとする（ＳＴ４）。本実施例では、イオン検出信号Ｖｏの時間軸上の傾きを問題にすることなく、イオン検出信号の最小位置によって最深点ＤＰを特定できるので、ステップＳＴ４の処理が極めて容易である。

この最深点ＤＰは、点火放電（Ｔ０）により発生した火炎核が、乱流伝播火炎に成長して、実際に熱が発生し始めるタイミングに対応するので、最深点ＤＰを正確に特定できることは、その後の燃焼制御やノック判定において有益である。

次に、ステップＳＴ３の処理で特定した最深点ＤＰから検索終了点ＦＮとの間で、イオン検出信号Ｖｏの最大位置を特定して、これを第二ピーク位置ＴＯＰとする（ＳＴ５）。ここでも、イオン検出信号Ｖｏの時間軸上の傾きを問題にすることなく、イオン検出信号の最大位置によって第二ピーク位置ＴＯＰを特定できるので、ステップＳＴ５の処理が極めて容易である。

もっとも、イオン検出信号Ｖｏにノイズ成分が重畳していることも考慮して、ステップＳＴ５の処理では、鋭角的で急峻な頂点は、これを排除して評価しても良い。例えば、１００μＳ程度離間した２つのデータについて、各データの時間微分値（時間軸の正方向の値）が、正から負に変化した場合であって、各微分値が所定の数値範囲内であれば、その間に第二ピーク位置がが存在すると判定する。

図５（ｂ）には、第１波形と第２波形について、最深点ＤＰと、検索終了点ＦＮと、第二ピーク位置ＴＯＰとを示している。本実施例では、探索第１波形は、従来技術では、第二ピーク位置を特定することが困難な形状を示しているが、本実施例によれば、正確に第二ピーク位置ＴＯＰを検出することができる。

燃焼制御装置ＤＥＴは、以上のようにして第二ピーク位置ＴＯＰを特定した後、第二ピーク位置に基づいてＭＢＴ制御を実行する。例えば、点火時期がＭＢＴに適合している場合には、燃焼圧の最大値となる圧力ピーク位置ＰＫが、上死点ＴＤＣから特定のクランク角度だけ遅角した点（目標位置）に一致するので、第二ピーク位置が、目標位置となるよう適宜なフィードバック制御（進角／遅角制御）を実行すれば良い。

また、燃焼制御装置ＤＥＴは、第二ピーク位置ＴＯＰ前後のイオン検出信号Ｖｏに基づいて、ノック発生の有無を判定することもできす。そして、ノックが発生していると判定される場合には、次の点火サイクルにおいてノック発生を解消する適宜な燃焼制御を実行する。

図６は、ノック発生を判定するアルゴリズムを示すフローチャートである。ＥＣＵでは、点火サイクル毎に、点火放電から所定時間のイオン信号Ｄｉを取得して記憶する（ＳＴ１１）。特に限定されないが、ここでは、サンプリング周波数ｆｓを３０ｋＨｚとし、点火開始（ｔ＝０）からｔ＝５ｍＳまでのイオン信号Ｄｉを取得している。

図７は、打撃音が発生しない正常燃焼時における正常なイオン信号（ａ）と、同様の正常燃焼時において定在波が重畳したイオン信号（ｂ）と、ノック信号が重畳したノック発生時のイオン信号（ｃ）と、を示している。図７（ｃ）に示す通り、ノック信号は、２ｍＳ〜４ｍＳ程度の区間に出現するが、同様の振動波が図７（ｂ）にも現れるので、両者を峻別することは容易ではない。なお、この実施例では、点火開始タイミングｔ＝０は、点火パルスＳＧの立下り時であり、その後、ｔ＝０．７ｍＳ程度までの区間は、点火放電が継続されるので、イオン信号が検出されない。

その後、イオン信号が検出されるが、点火放電の終了直後に出現する振動波の影響を排除して、その後の一次フィルタ処理を実行するのが好ましい。そのため、本実施例では、取得したイオン信号Ｄ（ｉ）に、ハニング窓を利用した補正関数Ｗ（ｉ）を作用させて、Ｆ（ｉ）←Ｄ（ｉ）＊Ｗ（ｉ）の演算を実行している（ＳＴ１２）。

ここで、補正関数Ｗ（ｉ）は、ｉｓ＜ｉ≦ｉｅの区間では、
Ｗ（ｉ）＝０．５−０．５＊ＣＯＳ［π＊（ｉ−ｉｓ）／｛（ｉｅ−ｉｓ）｝］であり、その他の区間ではＷ（ｉ）＝０である。

上式において、ｉ＝ｉｓ＋１〜ｉｅであり（ｉｓ＜ｉ≦ｉｅ）、ｉｓ及びｉｅは、補正開始タイミングｔｓと、補正終了タイミングｔｅと、サンプリング周波数ｆｓ（＝３０ｋＨｚ）とに対応して、ｉｓ≦ｆｓ＊ｔｓや、ｉｅ≦ｆｓ＊ｔｅの条件を満たす最大の整数値となる。

補正開始タイミングｔｓは、イオン信号Ｄ（ｉ）の二次ピーク位置ＴＯＰの手前に存在する最深点ＤＰ（図５参照）に設定される。なお、図３に関して説明した通り、最深点ＤＰは、放電ノイズ区間を除いたイオン信号Ｄ（ｉ）が最低値となる位置である。

一方、補正終了タイミングｔｅは、二次ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前（ＴＯＰ−δ）に設定するのが好適である。図３に関して説明した通り、二次ピーク位置ＴＯＰは、最深点ＤＰと探索終了点ＦＮとの間で、イオン信号Ｄ（ｉ）が最大値を示す位置である。

また、補正終了タイミングｔｅを規定する付加時間δは、内燃機関の運転条件に対応して個々的に規定するのが理想的であるが、通常は、０．１ｍＳ〜０．６ｍＳの範囲で最適値が実験的に確定される。但し、補正終了タイミングｔｅを、補正開始タイミング（信号最深点）ｔｓに対応して、ｔｓ＋Ｔに設定しても良く、この場合には、補正区間（ｔｅ−ｔｓ）が固定的な時間幅Ｔとなる。

また、付加時間δを、補正開始タイミング（信号最深点）Ｔｓと、二次ピーク位置ＴＯＰに基づいて決定しても良い。この場合には、付加時間δは、例えば、δ＝（ＴＯＰ−Ｔｓ）／２に決定される。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、付加時間δ＝０．３ｍＳに設定した補正区間［ｔｓ，ｔｅ］と、補正関数たる窓関数Ｗ（ｉ）と、窓関数Ｗ（ｉ）を作用させた補正演算後のイオン信号Ｆ（ｉ）とを図示したものである。

なお、上記の実施例では、Ｆ（ｉ）←Ｄ（ｉ）＊Ｗ（ｉ）の演算を実行したが、補正区間［ｔｓ，ｔｅ］のデータを、補正終了タイミングｔｅの接線で直線補完した上で、直線補完後のイオン信号Ｄ（ｉ）’に窓関数を作用させるのも好適である。図８（ｄ）は、補正終了タイミングｔｅにおける接線を破線で示している。

以上のような補正演算が終われば、補正後のイオン信号Ｆ（ｉ）に、ＢＰＦ１による一次フィルタ処理を施す（ＳＴ１３）。なお、ＢＰＦ１の通過帯域は、予め実験的に特定されるノック周波数に対応して決定されるが、この実施例では、５．８〜７．６ｋＨｚの通過帯域に設定している。

また、この実施例では、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）及び虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）と、補正後のイオン信号Ｆ（ｋ）との畳み込み演算によってＢＰＦ処理を実行している。具体的には、
Ｘ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ａ）
Ｙ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ｂ）
の一次フィルタ処理を実行してｎ＝０，１，２，・・・・，Ｎ−１の一次処理信号Ｘ１（０）・・・Ｘ１（Ｎ−１）と、Ｙ１（０）・・・Ｙ１（Ｎ−１）を得ている。

ここで、（式１ａ）（式１ｂ）におけるΣの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲である。なお、（式１ａ）（式１ｂ）では、バンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）において、サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌに対して、整数値ｉ＝Ｌ＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ−１）である。また、抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）において、整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ／２−１）である。

ここで、一次処理信号Ｘ１（ｎ），Ｙ１（ｎ）について、具体的に確認すると、
Ｘ１（０）＝Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２−１）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（０）、
Ｘ１（１）＝Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋１）＊Ｈ_Ｒｅ（０）、
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Ｘ１（Ｎ−１）＝Ｆ（Ｎ−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（Ｎ＋１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋Ｎ−２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＊Ｈ_Ｒｅ（０）となる。

また、Ｙ１（０）＝Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２−１）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（０）、
Ｙ１（１）＝Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋１）＊Ｈ_Ｉｍ（０）、
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Ｙ１（Ｎ−１）＝Ｆ（Ｎ−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（Ｎ＋１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋Ｎ−２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＊Ｈ_Ｉｍ（０）となる。

本実施例では、前記した通り、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ（ｊ）を利用してＢＰＦ処理を実行するが、図９は、抽出関数Ｈ（ｊ）の生成手順を説明する図面である。便宜上、以下では、変数ｉを変数ｎに変えて説明する。

本実施例では、先ず、ＢＰＦの周波数特性Ψ（ｎ）を以下の通りに決定した。
過渡領域ｎ＜ｎ_ｓａｒｔでは、Ψ（ｎ）＝ＥＸＰ｛−（ｎ−ｎ_ｓａｒｔ）^２／２＊σ^２｝
通過領域ｎ_ｓａｒｔ≦ｎ≦ｎ_ｅｎｄでは、Ψ（ｎ）＝１
減衰領域ｎ_ｅｎｄ＜ｎ＜Ｎ／２では、Ψ（ｎ）＝ＥＸＰ｛−（ｎ−ｎ_ｅｎｄ）^２／２＊σ^２｝
ゼロ領域Ｎ／２≦ｎ＜Ｎでは、Ψ（ｎ）＝０

なお、通過領域の下端ｎ_ｓａｒｔと上端ｎ_ｅｎｄとは、通過領域の最小周波数ｆ_ｓａｒｔと最大周波数ｆ_ｅｎｄとに対応して、ｎ_ｓａｒｔ＝ｆ_ｓａｒｔ＊Ｎ／ｆｓ、ｎ_ｅｎｄ＝ｆ_ｅｎｄ＊Ｎ／ｆｓとされる。また、σは、通過領域の両端の急峻度を決定するパラメータであり、実験的に最適な値が選択される。

次に、この周波数特性Ψ（ｎ）を逆フーリエ変換して、フィルタ処理用のウェーブレット（抽出関数Ｈ（ｋ））を生成する。逆フーリエ変換は、具体的には、図１０に示す演算式を使用し、その結果、抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）とが得られる。なお、図１０では、虚数単位ｊとの区別のために、変数ｊに変えて変数ｋを使用している。

次に、抽出関数Ｈ（ｊ）の中央位置（Ｌ／２）が最大振幅となり、その両端位置が０に収束するよう、データ位置をシフトさせ、フィルタ係数Ｌ個の抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ）とＨ_Ｉｍ（ｊ）とを特定する。この実施例では、イオン信号Ｄｉのデータ個数Ｎが１５０個（＝５ｍｓ＊ｆｓ）程度であるが、フィルタ係数の個数Ｌは、好ましくは、３２個又は６４個程度に抑制される。なお、周波数特性を決定するパラメータσが小さいほど、通過域両端の急峻度が高まるので、個数Ｌを増加させるべきである。

また、各抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ）、Ｈ_Ｉｍ（ｊ）は、各々、ＳＱＲＴ｛ΣＨ_Ｒｅ ^２（ｊ）｝と、ＳＱＲＴ｛ΣＨ_Ｉｍ ^２（ｊ）｝の値で正規化するのが好ましい。なお、Σの演算範囲は、ｊ＝０〜（Ｌ−１）である。

さて、上記の抽出関数を利用した一次フィルタ処理（ＳＴ１３）が終われば、次に、ＢＰＦ処理後の実数部Ｘ１（ｉ）と、虚数部Ｙ１（ｉ）とに基づいて、出力値ＳＧ１（ｉ）を算出する（ＳＴ１４）。具体的には、ＳＧ１（ｉ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ１（ｉ）^２＋Ｙ１（ｉ）^２）によるが、演算範囲はｉ＝０〜（Ｎ−１）である。

このステップＳＴ１４の処理では、一次フィルタ処理（ＳＴ１３）の実数出力Ｘ１（ｉ）と、虚数出力Ｙ１（ｉ）との瞬時相関を算出することになるが、この瞬時相関は、ＢＰＦ処理後の一次処理信号の包絡線を特定する処理に他ならない。したがって、計算負荷を軽減する趣旨から、簡易的には、一次フィルタ処理（ＳＴ１３）の実数出力Ｘ１（ｉ）の絶対値ＳＧ１（ｉ）＝ＡＢＳ（Ｘ１（ｉ））を算出したのでも良い（ＳＴ１４’）。

何れにしても、ステップＳＴ１４又はＳＴ１４’の処理によって、一次処理信号Ｘ１（ｉ），Ｙ１（ｉ）の包落線に対応する包絡信号ＳＧ１（ｉ）が得られるので、次に、この包絡信号ＳＧ１（ｉ）についてＢＰＦ２による二次フィルタ処理を施す（ＳＴ１５）。

この二次フィルタ処理は、不要なノイズ成分（定在波成分）を除去して、本来のノック信号のみを特異的に抽出する処理である。そして、本発明者の検討によれば、（ａ）包絡信号ＳＧ１の１ｋＨｚ以下の周波数成分、特に、２００Ｈｚ〜１ｋＨｚ成分を確実に除去すること、及び（ｂ）１．１ｋＨｚ〜２．３ｋＨｚ程度の周波数成分が極めて重要であることが明らかとなった。

そこで、本実施例では、二次フィルタ処理の通過帯域を１．６ｋＨｚ〜２．２ｋＨｚ程度に設定している。また、この二次フィルタ処理でも、このバンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）及び虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）と、包絡信号ＳＧ１（ｋ）との畳み込み演算によってＢＰＦ処理を実行している。具体的には、
Ｘ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ａ）
Ｙ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ｂ）
の二次フィルタ処理を実行してｎ＝０，１，２，・・・・，Ｎ−１の二次処理信号Ｘ２（０）・・・Ｘ２（Ｎ−１）と、Ｙ２（０）・・・Ｙ２（Ｎ−１）を得る。

ここで、（式２ａ）（式２ｂ）におけるΣの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲である。なお、（式２ａ）（式２ｂ）では、バンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）において、サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌ’に対して、整数値ｉ＝Ｌ’＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’−１）である。また、抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）において、整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’／２−１）である。なお、抽出関数Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）やＨ_Ｉｍ’（ｊ）についても正規化されたものが使用される。

続いて、ＢＰＦ処理後の実数部Ｘ２（ｉ）と、虚数部Ｙ２（ｉ）とに基づいて、評価信号ＳＧ２（ｉ）を算出する（ＳＴ１６）。具体的には、ＳＧ２（ｉ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ２（ｉ）^２＋Ｙ２（ｉ）^２）によるが、その演算範囲は、予め特定されている評価区間（ｉ＝ａ〜ｂ）である。評価区間［ａ，ｂ］の始点ａは、好ましくは、ステップＳＴ１３の補正演算における補正終了タイミングｔｅに設定され、評価区間［ａ，ｂ］の終点ｂは、好ましくは、イオン信号Ｄ（ｉ）十分に低レベルとなる収束位置に設定される。

次に、評価信号ＳＧ２（ｉ）の評価区間内の総和ＳＵＭ＝ΣＳＧ２（ｉ）を算出し（ＳＴ１７）、この総和値ＳＵＭと、実験的に最適設定されている閾値ＴＨと対比して、総和値ＳＵＭが閾値ＴＨより大きい場合には、その点火サイクルにおいてノックが発生していると判定する（ＳＴ１８）。

先に説明した通り、評価区間の始点ａは、補正終了タイミングｔｅ（＝ＴＯＰ−δ）に設定されるので、第二ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前から評価信号が評価されることになる。したがって、万一、第二ピーク位置ＴＯＰの特定位置に誤差が生じても、正確なノック判定をすることができる。

以上説明した、図６の実施例によれば、同じ周波数域において同様の挙動を示す定在波成分を、検出対象のノック信号と峻別できる。なお、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではなく、適宜な改変が可能である。特に、フィルタ処理については、例示した方法に限定されないのは勿論である。但し、実施例の方法によれば、通常のデジタルフィルタを使用する場合より高精度のＢＰＦ処理を実現することができる。

また、上記の実施例では、燃焼制御動作の全てをＥＣＵが担当したが、燃焼制御の一部を、自動車用ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などで構成された専用のコンピュータ回路が担当しても良い。

ＥＱＵ 燃焼制御装置
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
Ｑ スイッチング素子
ＥＣＵ 制御装置
Ｖｏ 検出信号
ＩＯＮ イオン電流検出回路
ＰＫ ノイズピーク位置
ＢＧ 検索開始点
ＳＴ２ 第１手段
ＤＰ 最深点
ＳＴ４ 第２手段
ＴＯＰ 第二ピーク位置
ＳＴ５ 第３手段

Claims (8)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、を有して構成され、
   前記制御装置は、
   前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移に対応して検出信号の取得処理を開始し、取得値が非有意レベルに収束するまでの一連の検出信号を取得する取得手段と、
   前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移後に発生する検出信号のピーク位置ＰＫに基づき、前記ピーク位置より所定の後方位置（＋α）を検索開始点ＢＧに特定する第１手段と、
   前記検索開始点ＢＧから時間軸上を後方向きに検索して、前記検出信号が最低値を示す最深点ＤＰを特定する第２手段と、
   前記最深点ＤＰから時間軸上を後方向きに探索して、前記検出信号が最大値になる頂点位置を第二ピーク位置ＴＯＰに特定する第３手段と、
   前記第二ピーク位置ＴＯＰに基づいてその後の判定処理を実行する判定手段と、を有して構成されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記所定の後方位置（＋α）は、その時々の運転条件に対応して決定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 第３手段は、鋭角的で急峻な頂点を除いて第二ピーク位置を特定する請求項1又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記判定処理は、燃焼室でノッキングが発生しているか否かのノック判定であって、
   前記検出信号は、所定の補正区間［ｔｓ，ｔｅ］について、窓関数による補正演算を経た上で、ＢＰＦ(Band Pass Filter)処理が施され、
   前記補正区間の始点ｔｓは、前記最深点ＤＰに設定される請求項１に記載の燃焼制御装置。
5. 前記補正区間の終点ｔｅは、前記第二ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前に設定され（Ｔｅ＝ＴＯＰ−δ）、前記ＢＰＦ処理後のデータについて前記終点ｔｅ以降を評価してノック判定が実行される請求項４に記載の燃焼制御装置。
6. 前記窓関数は、ハニング窓又はハミング窓である請求項４又は５に記載の燃焼制御装置。
7. 前記判定手段は、前記補正区間の補正終了点ｔｅ以降のデータを評価してノック判定をする請求項４〜６の何れかに記載の燃焼制御装置。
8. 前記判定手段は、第二ピーク位置に基づいて、ＭＴＢ評価を実行する請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。