JP2013204496A

JP2013204496A - ノック検出方法および装置

Info

Publication number: JP2013204496A
Application number: JP2012073874A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Ogasawara; 茂小笠原; Hitoshi Kitazumi; 仁北隅
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2013-10-07

Abstract

【課題】実状に即した重み付け関数を用いることで検出精度を向上させたノック検出方法および装置を提供する。
【解決手段】ノックセンサ２１に入力される内燃エンジン１の振動波形に対して、所定周波数成分を抽出するフィルタ処理、および、燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出し、該振動強度が所定の閾値を超えた場合にノック発生と判定するノック検出方法において、前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープとして準備されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃エンジンのノック制御に関し、さらに詳しくは、ノックセンサに入力される振動波形からノッキングの発生を検知する技術に関する。

一般的なノック制御方法としては、シリンダブロック表面に設置されたノックセンサで振動を検出し、これにノック特有の周波数成分のみ取り出すためのバンドパスフィルタ、およびノックの発生時間帯の振動波形のみ取り出すためのウィンドウ処理を行い、得られた波形の振動強度（例えば、波形の最大値や積分値）をノック発生判定の指標とする。そして、その指標が所定の閾値を超えた場合にノックが発生したと判定し、点火時期をリタードさせることによりノックを抑制するものである。

通常、上記ウィンドウ処理には、レクタンギュラーウィンドウ（以下、Ｒウィンドウ）が用いられる。しかし、Ｒウィンドウは、フィルタ処理された振動波形に対してノックが発生した時間帯の波形を単に取出す機能しかない。そこで、特許文献１では、このＲウィンドウ処理の改善策として、Ｒウィンドウにより取出された波形に対して重み付け関数を乗じて、ノック発生判定の指標となる振動強度を算出する方法が提案されている。

この方法は、異常燃焼が発生した場合の内燃機関の振動波形が正常な場合に比べて減衰しにくいという特徴に注目し、後半部分に重み付けするものであり、ウィンドウ内において次第に増加することを特徴としている。しかし、特許文献１の重み付け関数は、ウィンドウ内の後半にノイズが発生した場合にはそのノイズの影響を受け、重み付け関数を採用することによる効果が得られない可能性がある。

特に、４気筒エンジンに関しては、燃焼中の気筒に対応したＲウィンドウの後半と、吸気行程を終了した気筒のバルブ着座のタイミングが重なり、バルブ着座によるノイズがウィンドウの後半部分に発生する場合がある。また、ノックセンサにより検出されるノックに起因する振動波形は、ノック発生直後で波形の振幅が最大となり、その後次第に減衰する傾向がある。これらのことから、特許文献１のように、ウィンドウ内で次第に増加する重み付け関数を採用するメリットはないと考えられる。

特開２００９−１７４４５９号公報

本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであって、その目的は、より実状に即した重み付け関数を用いることで検出精度を向上させたノック検出方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、実際にノックセンサで得られる振動波形に由来する重み付け関数を用いれば、検出精度を向上できるという知見を得て本発明に想到した。すなわち本発明は、
ノックセンサに入力される内燃エンジンの振動波形に対して、所定周波数成分を抽出するフィルタ処理、および、燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出し、該振動強度が所定の閾値を超えた場合にノック発生と判定するノック検出方法において、
前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープとして準備されていることを特徴とする。

フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープは、振動エネルギーの変化プロファイルを反映しているので、このようなエンベロープを重み付け関数として用い、例えば、振動波形に乗算することで、ノックに起因する振動波形の特徴がノック発生特定の指標である振動強度に反映され、ノック発生の判定精度が向上する。
振動波形に乗算する場合以外の代表的な態様としては以下のものがある。

すなわち、本発明の好適な態様は、前記重み付け関数が、予め前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施しかつ正規化した正常燃焼時の振動波形のエンベロープに基づいて準備されており、前記重み付け関数の演算が、前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープを前記重み付け関数で減算または除算することを含む。

先述した振動波形にエンベロープを乗算する態様ではノック発生特定の指標を強調することで判定精度を向上させるものであったのに対し、この態様では、振動波形のエンベロープから、正常燃焼時の振動波形のエンベロープを減算または除算し、ノック発生特定の指標以外のノイズ成分を除去することで、ノック発生の判定精度を向上させる。

例えば、前記重み付け関数が、
予め前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施しかつ正規化した正常燃焼時の振動波形のエンベロープｇ_１（ｔ）に基づいて、
ｇ_２（ｔ）＝１−ｇ_１（ｔ）として準備されており、
前記重み付け関数の演算が、前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施しかつ正規化した振動波形のエンベロープｆ（ｔ）に前記重み付け関数ｇ_２（ｔ）を乗じる。
このような重み付け関数の演算は、先の方法と併用することもできる。なお、正規化は、重み付け関数のみに実施されてもよいし、基準値は１以外であっても良い。

また、本発明の他の好適な態様は、前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープを時間または帯域毎に分割した各分割領域内での値に基づく重み付け係数として準備されており、前記重み付け関数の演算が、前記得られた振動波形を前記同様に分割した各分割領域内での波形の面積値または最大振幅値に、前記重み付け係数を加算または乗算することを含む。

例えば、前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープを時間または帯域毎にｎ個に分割した各分割領域内での値に基づく重み付け係数ａ_１〜ａ_ｎとして準備されており、
前記得られた振動波形を時間または帯域毎にｎ個に分割し、各分割領域内での波形の面積値または最大振幅値Ｓ_１〜Ｓ_ｎに対応する前記重み付け係数ａ_１〜ａ_ｎを乗じ、前記振動強度をａ_１Ｓ_１〜ａ_ｎＳ_ｎの和として算出する。ｎは２以上の自然数から選択される。

さらに、本発明は、内燃エンジンの振動を検知するノックセンサ（２１）と、前記内燃エンジンの燃焼サイクルに対応する位相角検知手段（１１，１２）と、前記ノックセンサに入力される振動波形に対して、所定周波数成分を抽出するフィルタ処理、および、前記位相角検知手段の信号に基づいて燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出して、前記振動強度が所定の閾値を超えた場合にノック発生と判定するノック判定手段（３）と、を備え、前記ノック判定手段が、前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理した前記振動波形のエンベロープを抽出する手段と、該エンベロープを前記重み付け関数として記憶する記憶手段（３１）とを有する、ノック検出装置にも向けられている。

本発明に係るノック検出方法および装置は、以上述べたように、実際の振動波形から抽出したエンベロープを基にした重み付け関数を用いることで検出精度を向上可能である。

本発明に係るノック検出装置を示す概念図である。本発明第１実施形態のノック検出方法に係る処理手順を示す図である。本発明第２実施形態のノック検出方法に係る処理手順を示す図である。本発明第３実施形態のノック検出方法に係る処理手順を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、本発明に係るノック検出装置は、内燃エンジン１の燃焼サイクルに対応する位相角検知手段としてのクランク角センサ１１およびカム角センサ１２、内燃エンジン１のシリンダブロック表面に設置されたノックセンサ２１、波形測定手段２、ノック判定手段３などから主に構成される。波形測定手段２およびノック判定手段３は、車載ＣＰＵ（ＥＣＵ）の機能として車両に具備される

波形測定手段２は、クランク角センサ１１およびカム角センサ１２からの位相角信号に同期してノックセンサ２１から入力される振動波形を測定し、測定された振動波形は、位相角信号とともにノック判定手段３に送られる。ノック判定手段３は、振動波形から所定周波数成分を抽出するフィルタ処理（バンドパスフィルタ処理）、および、位相角信号に基づいて燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理（レクタンギュラーウィンドウ処理）を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出する。

例えば４サイクルエンジンでは、各気筒で、吸気、圧縮、膨張、排気のいずれかの行程が実施されており、クランク角センサ１１の信号と、バルブ開閉時期に対応したカム角センサ１２の信号とにより、燃焼している気筒、つまりノッキングの発生を判定すべき気筒および時期を特定可能である。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る重み付け関数の生成過程を示している。先述のように、フィルタ処理を実施した振動波形（ａ）のエンベロープ（ｃ）をレクタンギュラーウィンドウ（ｂ）の範囲で抽出する。エンベロープは、振動波形のピークを結んだ包絡線として定義され、ノック判定手段３におけるディジタル波形解析によって導出され、フラッシュメモリーなどからなる記憶手段３１に格納される。

そして、このエンベロープ（ｃ）が、フィルタ処理を実施した振動波形（ａ）に乗算されることで振動強度が算出され、該振動強度が予め設定された閾値を超えた場合にノッキングが発生したものと判断し、点火時期をリタードさせるなどのノック抑制措置を実施する。この場合、エンベロープ（ｃ）を採用したことで、ノッキング発生時の振動波形の特徴が強調される一方、ノイズなどによる単発的なスパイクなどの影響が除去されることで、ノック判定精度の向上が期待できる。

なお、ノックに起因するフィルタ処理後の振動波形のエンベロープは、エンジン回転数、負荷、気筒の各条件の違いにより変化する。従って、振動波形のエンベロープを重み付け関数として採用する場合、エンジン回転数、負荷、気筒の各条件の違いに応じて重み付け関数も可変とすることが好ましい。

次に、図３（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２実施形態に係る重み付け関数の生成過程を示している。エンベロープを用いた振動波形の重み付けは、上述した第１実施形態とは逆に、ノイズを主成分とする正常燃焼時の振動波形の特徴を打ち消す目的で実施することもできる。図３（ａ）において、フィルタ処理を実施した振動波形のエンベロープｆ_０（ｔ）をレクタンギュラーウィンドウの範囲で抽出する点は第１実施形態と同様であるが、本実施形態では、図３（ｂ）に示すようにエンベロープｆ_０（ｔ）に対して正規化処理を実行しエンベロープｆ_１（ｔ）を導出する。

一方、図３（ｃ）に示すように、事前に同様の手順で正常燃焼時の振動波形のエンベロープｇ_０（ｔ）を抽出しておき、図３（ｄ）（ｅ）に示すように、正規化処理を実行してエンベロープｇ_１（ｔ）を導出し、重み付け関数ｇ_２（ｔ）を次のように準備する。

ｇ_２（ｔ）＝１−ｇ_１（ｔ）

上記重み付け関数ｇ_２（ｔ）は、正常燃焼時の振動波形の特徴を減算によって打ち消す性質のものであり、この重み付け関数ｇ_２（ｔ）を、図３（ｆ）に示すように、正規化したエンベロープｆ_１（ｔ）に乗算する処理を行う。

ｈ（ｔ）＝ｆ_１（ｔ）×ｇ_２（ｔ）

上式をｇ_１（ｔ）に戻せば、振動波形の重み付けが、正規化した振動波形のエンベロープｆ_１（ｔ）から、それと正常燃焼時のエンベロープｇ_１（ｔ）との積を減算したものであることが理解できよう。

ｈ（ｔ）＝ｆ_１（ｔ）−ｆ_１（ｔ）×ｇ_１（ｔ）

なお、減算する代わりに除算して打ち消すこともできる。また、正規化の基準値は「１」以外であってもよい。すなわち重み付けにゲインを設定することもできる。

次に、図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る重み付け関数の生成過程を示している。この実施形態では、図４（ａ）に示すように、フィルタ処理後の振動波形をウィンドウ内でｎ個に分割し、分割された各範囲内で波形の面積値や最大振幅値をＳ_１，Ｓ_２，・・・Ｓ_ｎとして算出する。そして、Ｓ_１〜Ｓ_ｎのそれぞれに対して重み付け係数ａ_１〜ａ_ｎを乗じ、振動強度Ｉを下式のように、ａ_１Ｓ_１〜ａ_ｎＳ_ｎの和として算出する。

Ｉ＝ａ_１Ｓ_１＋ａ_２Ｓ_２＋，・・・，＋ａ_ｎＳ_ｎ

重み係数ａ_１〜ａ_ｎは任意に決めても良いが、ノックに起因する振動波形を基に決定することが好適である。例えば、図４（ｂ）に示すように、ｎ個に分割された各範囲における重み付け関数（エンベロープ）の平均値を重み付け係数ａとしても良いし、分割範囲内の最大値や最小値を重み付け係数ａとしても良い。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。例えば、第１実施形態または第３実施形態に係る重み付け処理と、第２実施形態に係る重み付け処理を併せて実施することもできる。

１内燃エンジン
２波形測定手段
３ノック判定手段
１１クランク角センサ
１２カム角センサ
２１ノックセンサ
３１記憶手段

Claims

ノックセンサに入力される内燃エンジンの振動波形に対して、所定周波数成分を抽出するフィルタ処理、および、燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出し、該振動強度が所定の閾値を超えた場合にノック発生と判定するノック検出方法において、
前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープとして準備されていることを特徴とするノック検出方法。
前記重み付け関数が、予め前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施しかつ正規化した正常燃焼時の振動波形のエンベロープに基づいて準備されており、前記重み付け関数の演算が、前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープを前記重み付け関数で減算または除算することを含むことを特徴とする請求項１記載のノック検出方法。
前記重み付け関数が、フィルタ処理およびウィンドウ処理を実施した振動波形のエンベロープを時間または帯域毎に分割した各分割領域内での値に基づく重み付け係数として準備されており、前記重み付け関数の演算が、前記得られた振動波形を前記同様に分割した各分割領域内での波形の面積値または最大振幅値に、前記重み付け係数を加算または乗算することを含むことを特徴とする請求項１記載のノック検出方法。
内燃エンジンの振動を検知するノックセンサと、
前記内燃エンジンの燃焼サイクルに対応する位相角検知手段と、
前記ノックセンサに入力される振動波形に対して、所定周波数成分を抽出するフィルタ処理、および、前記位相角検知手段の信号に基づいて燃焼サイクルにおける特定時間帯のみを抽出するウィンドウ処理を実施し、得られた振動波形に重み付け関数を演算して振動強度を算出して、前記振動強度が所定の閾値を超えた場合にノック発生と判定するノック判定手段と、を備え、
前記ノック判定手段が、前記フィルタ処理および前記ウィンドウ処理した前記振動波形のエンベロープを抽出する手段と、該エンベロープを前記重み付け関数として記憶する記憶手段とを有する、ノック検出装置。