JP2011140881A - 内燃機関用のノック検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズレベルに拘わらず、確実にノッキング発生を検出できるノック検出装置を提供する。
【解決手段】点火コイルの通電を制御するスイッチング素子ＱをＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置ＥＣＵ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、を有する。制御装置は、スイッチング素子ＱがＯＦＦ状態で検出信号を取得する取得手段（ＳＴ１）と、取得された検出信号について、ノック周波数を通過域とするＢＰＦ処理を実行するノック抽出手段（ＳＴ２）と、取得された検出信号について、ノック周波数より上側の周波数域を通過域とするＨＰＦ処理を実行するノイズ抽出手段（ＳＴ４）と、ＢＰＦ処理後の信号成分とＨＰＦ処理後の信号成分とを各々時間軸上に積算して、各積算値の差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判定手段（ＳＴ３，ＳＴ５〜ＳＴ９）と、を設けている。
【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、ノイズレベルに拘わらず、確実にノッキング発生を検出できるノック検出装置に関する。

内燃機関の燃焼室で混合気を燃焼させるとイオンが発生することが一般に知られている。昨今、このイオンに対応するイオン電流に着目した燃焼制御の研究が盛んであり、例えば、イオン電流の波形に基づいて失火検知することが行われている。具体的には、燃焼から排気に至る工程において、イオン電流が所定レベルを越えると燃焼状態であると判定し、一方、所定レベルを越えない場合には失火状態であると判定している。

また、イオン電流の波形に基づいてノッキングの発生を検知することも行われている。ノッキングは、混合気の自然発火（プレ・イグニッション）によって発生した爆発と、点火プラグによって発生した爆発がぶつかり合い、衝撃波を発生する異常状態を意味するが、イオン電流に重畳するノック信号によって、この異常事態を把握することが可能である。

ノック検出装置としては、例えば、特許文献１の構成が知られており、ここでは、イオン電流をノック周波数を通過域とするＢＰＦ（Band Pass Filter）処理と、ノック周波数以外を通過域とするＢＥＦ（Band Elimination Filter）処理とを実行し、各フィルタ処理後の波形ピークの比率に基づいてノック判定を行っている。

特開平１１−２１７５号公報

しかしながら、イオン電流には、時として、コロナ放電ノイズなどのノイズが重畳するところ、特許文献１の構成では、ノイズレベルが上がるとノック判定の判定精度が大幅に悪化するという問題がある。すなわち、ノイズレベルが上昇すると、ＢＰＦ処理後の波形ピークと、ＢＥＦ処理後の波形ピークに差異がなくなり、ノイズ発生とノック発生との区別がつかない。

本発明は、この問題点に着目してなされたものであって、ノイズレベルに拘わらず、確実にノッキング発生を検出できるノック検出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ノック検出装置は、一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、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がＯＦＦ状態である領域の検出信号を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された検出信号について、ノック周波数を通過域とするＢＰＦ処理を実行するノック抽出手段と、前記取得手段により取得された検出信号について、前記ノック周波数より上側の周波数域を通過域とするＨＰＦ処理を実行するノイズ抽出手段と、ＢＰＦ処理後の信号成分とＨＰＦ処理後の信号成分とを各々時間軸上に積算して、各積算値の差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判定手段と、を設けて構成されている。

本発明では、ノック抽出手段が、ノック周波数成分を抽出し、ノイズ抽出手段が、ノック周波数より上側の周波数成分を抽出している。内燃機関では、一般に、碍子部の帯電状態に応じて、不規則にコロナノイズが発生するところ、コロナノイズは、スパイク形状を示し、低域から高域まで比較的平坦な周波数スペクトルを有するので、ノック成分との区別が容易でない。すなわち、ノック抽出手段が抽出する成分には、ノイズ成分とノック成分とが混合されている。

しかし、本発明では、ノック抽出手段とは別にノイズ抽出手段を設けているので、コロナノイズのレベルが上昇すると、ノック抽出手段とノイズ抽出手段の抽出成分が同様に上昇傾向を示す。そして、本発明の判定手段では、ＢＰＦ処理後の信号成分とＨＰＦ処理後の信号成分とを各々時間軸上に積算して、各積算値の差に基づいてノック判定をするので、コロナノイズの影響を排除して正確なノック判定が可能となる。

なお、ノック周波数は、内燃機関の構造などに基づいて、予め実験的に特定しておくのが好ましいが、通常は５ＫＨｚ〜１０ＫＨｚの範囲内の周波数となる。

ＢＰＦ処理やＨＰＦ処理の対象となる検出信号の解析区間は、内燃機関の着火動作が終了して熱発生が本格化したことを示す検出信号の第二ピークの位置より後方の領域を含んで設定するのが好ましい。一般に、内燃機関が正常に燃焼している場合には、イオン電流は第一ピークを示した後、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、イオン電流の第二ピークを示すことが知られている。ここで、第一ピーク付近の波形は、燃焼開始時のケミカルイオンの挙動を示し、第二ピーク付近の波形は、燃焼開始後の熱発生により発生するサーマルイオンの挙動を示している。

そこで、本発明のＢＰＦ処理やＨＰＦ処理では、好ましくは、第二ピークの位置の少し手前から第二ピーク位置を含み、その後方の波形を処理対象としている。ＢＰＦ処理やＨＰＦ処理が実行される解析区間は、好ましくは、同一であり、運転状態に応じて予め特定されている。ここで、運転状態は、例えば、エンジンの吸気管圧力と、エンジンの回転数とを加味して特定される。簡易的には、検出信号の解析区間は、エンジンの吸気管圧力と、エンジンの回転数とを検索パラメータとする参照テーブルに規定されている。

本発明において、取得手段、ノック抽出手段、ノイズ抽出手段、及び、判定手段の処理対象となる信号は、全てアナログ信号であっても良いが、その全部又は一部をデジタルデータとすると判定精度を上げることができる。より好ましくは、取得手段は、Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータとして検出信号を取得すべきである。

以上説明した本発明に係るノック検出装置によれば、ノイズレベルに拘わらず、確実にノッキング発生を検出することができる。

実施例に係るノック検出装置の構成を示す回路図である。 ノック検出装置の動作を説明するタイムチャートである。 ノック検出装置の動作を説明するフローチャートである。 ノイズが重畳していない検出信号の波形（ａ）と、そのＢＰＦ処理後の波形（ｂ）、及び、そのＨＰＦ処理後の波形（ｃ）である。 ノイズが重畳していない検出信号について、ＢＰＦ処理後の処理を説明する図面である。 ノイズが重畳している検出信号の波形（ａ）と、そのＢＰＦ処理後の波形（ｂ）、及び、そのＨＰＦ処理後の波形（ｃ）である。 ノイズが重畳している検出信号について、ＢＰＦ処理後の処理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、実施例に係るノック検出装置ＤＥＴを示す回路図であり、図２は、ノック検出装置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、このノック検出装置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。そして、全データが取得された後で、運転状態毎に決定されているデータ解析区間ＷＩＮにおいて、ＢＰＦ処理やＨＰＦ処理が実行される。そのため、ＥＣＵには、解析開始位置Ａから解析終了位置Ｃに至るデータ解析区間ＷＩＮを、運転状態毎に特定する参照テーブルＴＢＬが設けられている。

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。

上記した構成のノック検出装置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、ノック検出装置ＤＥＴの動作内容について、図３のフローチャートに基づいて説明する。

ＥＣＵは、各点火サイクル毎に、点火パルスＳＧを立下げて（Ｔ０）、一次コイルＬ１の電流を遮断状態にした後、データ取得区間について、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏを、デジタル変換して検出信号としてメモリに記憶する（ＳＴ１）。

サンプリング周波数は、特に限定されないが、この実施例では、３０ＫＨｚ程度に設定されている。なお、データ取得区間は、燃焼反応が確実に完了するタイミングで終了するが、この終期は、運転状態に対応して予め実験的に決定されている。

ステップＳＴ１の処理で取得される検出信号は、ノック信号が重畳されて異常燃焼状態の挙動を示す場合と、ノック信号が重畳されることなく正常燃焼状態の挙動を示す場合とがある。また、ノック信号とは別に、コロナノイズなどが重畳されている場合と、重畳されていない場合とがある。そして、図４（ａ）は、ノック信号は重畳されているものの（ノッキング発生）、コロナノイズは重畳されていないイオン電流波形であり、図６（ａ）は、ノック信号は重畳されていないが（正常燃焼時）、コロナノイズが重畳したイオン電流波形を示している。

ステップＳＴ１の処理が終われば、次に、参照テーブルＴＢＬを参照して、その時々の運転状態に対応する解析区間ＷＩＮについて、解析開始位置Ａと解析終了位置Ｃを特定し、解析区間ＷＩＮにおいてノック周波数を通過域とするＢＰＦ処理を実行する（ＳＴ２）。なお、ＢＰＦ処理は、適宜なデジタルフィルタとして実現される。また、ノック周波数は、予め実験的に特定されており、通常は数ＫＨｚである。なお、解析開始位置Ａは、必ず、イオン電流の第二ピーク位置Ｔｐより手前となるよう実験的に規定されている。

図４（ｂ）と図６（ｂ）は、図４（ａ）と図６（ａ）の検出信号から、ＢＰＦ処理によって抽出されたノック周波数の信号成分Ｓｉを示している。コロナノイズには、ノック周波数の信号成分も含まれているので、ＢＰＦ処理後の抽出信号Ｓｉだけでは、ノック信号が認められない正常燃焼状態か、それとも、ノック信号が検出された異常燃焼状態（ノッキング状態）かを正確に特定することができない。

この点はさておき、ステップＳＴ２の処理が終われば、次に、ＢＰＦ処理後の抽出信号Ｓｉを、時間軸の進行方向に積算する（ＳＴ３）。なお、図４（ｂ）や図６（ｂ）に示す通り、ＢＰＦ処理による抽出信号Ｓｉは、正負のレベルを有して変化するので、例えば、Ｓｉ≧０である場合だけ、Ｄ１←Ｄ１＋Ｓｉの演算を実行して累積値Ｄ１を更新する。図５（ａ）と図７（ａ）は、図４（ａ）と図６（ａ）の抽出信号Ｓｉについて、その累積値Ｄ１の推移を示している。なお、ステップＳＴ３の処理では、抽出信号Ｓｉの絶対値ＡＢＳ（Ｓｉ）について、Ｄ１←Ｄ１＋ＡＢＳ（Ｓｉ）の演算を実行するのでも良い。

このようにして、ステップＳＴ３の処理が終われば、次に、ステップＳＴ２の処理の場合と同一の解析区間ＷＩＮについて、ノック周波数成分以外を抽出するべく、ノック周波数を超える帯域を通過域とするＨＰＦ処理を実行する（ＳＴ４）。なお、ＨＰＦ処理も、適宜なデジタルフィルタとして実現され、図４（ｃ）と図６（ｃ）は、ＨＰＦ処理によって抽出された抽出成分Ｎｉを示している。コロナノイズは、ほぼ広範なスペクトル分布を示すので、図６（ｃ）では、かなりのレベルの抽出成分Ｎｉが認められる。

次に、ＨＰＦ処理後の抽出信号Ｎｉを、時間軸の進行方向に積算する（ＳＴ５）。この場合も、例えば、Ｎｉ≧０である場合だけ、Ｄ２←Ｄ２＋Ｎｉの演算を実行して累積値Ｄ２を更新する。図５（ｂ）と図７（ｂ）は、図４（ａ）と図６（ａ）の抽出信号Ｎｉについて、その累積値Ｄ２の推移を示しており、コロナノイズの有無に応じて、累積値Ｄ２が大きく相違することが確認される。

そこで、次に、ＪＵＤＧ←Ｄ１−Ｄ２の演算によって判定値ＪＵＤＧを算出し（ＳＴ６）、判定値ＪＵＤＧが閾値ＴＨより大きいか否かに応じてノック判定を実行する（ＳＴ７）。具体的には、ＪＵＤＧ≧ＴＨであれば、ノッキング発生状態であると判定され、ＪＵＤＧ＜ＴＨであれば、ノッキングは発生していないと判定される。

そして、ノッキング発生時には、次回の点火サイクルでは点火時期を遅角させるなどの燃焼制御を実行することで内燃機関の破損を防止する。以上の通り、この実施例では、累積値Ｄ１，Ｄ２のレベルを対比するのではなく、累積値の差Ｄ１−Ｄ２を判定値ＪＵＤＧとするので、ノイズレベルが増加してもノック判定の精度が悪化することがない。なお、燃焼状態か失火状態かは、ステップＳＴ１で取得された検出信号について、解析区間ＷＩＮの積分値などに基づいて判定される。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、イオン電流検出回路として、最も簡易な回路構成を例示したが、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

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
ＳＴ１ 取得手段
ＳＴ２ ノック抽出手段
ＳＴ４ ノイズ抽出手段
ＳＴ３，ＳＴ５〜ＳＴ９ 判定手段

Claims (5)

1. 一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、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がＯＦＦ状態である領域の検出信号を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された検出信号について、ノック周波数を通過域とするＢＰＦ処理を実行するノック抽出手段と、
   前記取得手段により取得された検出信号について、前記ノック周波数より上側の周波数域を通過域とするＨＰＦ処理を実行するノイズ抽出手段と、
   ＢＰＦ処理後の信号成分とＨＰＦ処理後の信号成分とを各々時間軸上に積算して、各積算値の差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判定手段と、
   を設けたことを特徴とする内燃機関のノック検出装置。
2. 前記ＢＰＦ処理は、内燃機関の着火動作が終了して熱発生が本格化したことを示す検出信号の第二ピークの位置より後方の領域を含んで設定されている請求項１に記載のノック検出装置。
3. 前記ＨＰＦ処理は、内燃機関の着火動作が終了して熱発生が本格化したことを示す検出信号の第二ピークの位置より後方の領域を含んで設定されている請求項１又は２に記載のノック検出装置。
4. 前記ＢＰＦ処理及び前記ＨＰＦ処理は、その処理区間が同一であり、運転状態に対応して予め特定されている請求項１〜３の何れかに記載のノック検出装置。
5. 前記取得手段は、Ａ／Ｄコンバータを有して構成され、前記検出信号は、デジタルデータとして取得される請求項１又は２に記載のノック検出装置。

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