JP2013238185A - 内燃機関の燃焼状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノック判定の精度の一層の向上を図る。
【解決手段】ノッキングが発生していない複数回の燃焼に係る複数のイオン電流信号のサンプリング値の時系列を取得し、当該サンプリング値の時系列からノイズ成分を除去するための処理を施すことなく、当該サンプリング値の時系列のピークを示す値ｘと、当該サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量を示す値ｙとを演算し、前記所定周波数成分の量を示す値ｙを基に、前記ピークを示す値ｘに対応する基準レベルを決定し、当該基準レベルを用いてノック判定レベルを設定する。特に、複数の［ｘ，ｙ］の組から、基準レベルの関数Ｙ＝ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃを、最小二乗法等により求める。ノック判定レベルは、基準レベルをｎ倍したもの、即ちＹ＝ｎ（ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃ）とする。
【選択図】図９

Description

本発明は、内燃機関の気筒におけるノッキングの有無を判定する燃焼状態判定装置に関する。

内燃機関の気筒での燃料の燃焼状態を推測する手法の一として、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を参照することが知られている。イオン電流を基に気筒におけるノッキングを感知するためには、イオン電流検出用の回路を介して計測されるイオン電流信号を、ノッキングに起因して生じる信号の周波数成分のみを通過させるバンドバスフィルタに入力し、当該フィルタから出力される信号を判断材料とする。

ノック判定の際、イオン電流信号から抽出した周波数成分と比較するノック判定レベルは、以下のように定める。まず、ノッキングが発生していないと思しき複数回の燃焼機会において、複数回のイオン電流信号の計測を行う。次いで、各回のイオン電流信号について、そのピーク値、及びイオン電流信号から抽出した周波数成分の大きさを知得する。

そして、各回のピーク値ｘ及び周波数成分ｙの大きさの組［ｘ，ｙ］の集合に対して、基準レベルとなる一次関数Ｙ＝ＡＸ＋Ｂを当てはめる。つまりは、左記の関数式における係数Ａ及び切片Ｂを求める。さらに、基準レベルをｎ倍して、ノック判定レベルを決定する。

ノッキングの有無を判定するには、燃焼中に計測されるイオン電流信号からピーク値ｘ_p及び周波数成分ｙ_tを得、その周波数成分ｙ_tとノック判定レベルｎ（Ａｘ_p＋Ｂ）との大小比較を行う。ｙ_t≧ｎ（Ａｘ_p＋Ｂ）が成立するならば、気筒においてノッキングが起こったものと判定する。

現実には、車両走行中のラジエータファンの作動等により発生するノイズやその他の要因によるホワイトノイズが、バックグラウンドノイズとしてイオン電流信号に重畳する。このようなノイズは、ノック判定の精度を低下させ、誤判定を招き得る。

そこで、従来、基準レベル及びノック判定レベルを決定するにあたり、イオン電流信号からノイズ成分を抽出した上、そのノイズ成分の分だけ基準レベルを低減するオフセット補正を施している（例えば、下記特許文献を参照）。

特許３２８１６２４号公報（特に、段落００２９以降）

しかしながら、ノイズ除去処理を施したイオン電流信号を基に基準レベルの学習を行うと、基準レベルの係数Ａが著しく小さくなるケースがあることが実験的に確かめられた。基準レベルの係数Ａが小さいと、ノック判定レベルの係数ｎＡも小さくなる。即ち、図１１に示しているように、ピーク値Ｘを横軸、周波数成分Ｙを縦軸にとった場合のノック判定レベル（図中実線で示す。なお、基準レベルを図中破線で示す）の直線の傾きが小さく、平坦に近くなる。

ノッキングが起こったときにイオン電流信号に重畳される、ノッキングに起因した振動的な信号の振幅は、同程度のノック強度であれば、気筒の燃焼室内に存在するイオンの濃度が高いほど大きくなると推測される。

にもかかわらず、ノック判定レベルの係数ｎＡが小さいと、広汎な運転領域について高い精度でノック判定を実施することが難しくなる。乗数ｎを大きく設定すると、燃焼室内のイオン濃度が低くなる低中負荷の運転領域において、ノッキングを起こしていてもこれを感知できなくなる。逆に、乗数ｎを小さく設定すると、燃焼室内のイオン濃度が高くなる高負荷の運転領域において、ノッキングを起こしていないにもかかわらずノッキングがあったものと誤判定してしまう。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、ノック判定の精度の一層の向上を図ることを所期の目的としている。

本発明では、燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用してイオン電流信号をサンプリングし、そのサンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分を抽出し、抽出した所定周波数成分とノック判定レベルとを比較することでノッキングの有無を判定するものであって、ノッキングが発生していない複数回の燃焼に係る複数のサンプリング値の時系列を取得し、当該サンプリング値の時系列からノイズ成分を除去するための処理を施すことなく、当該サンプリング値の時系列のピークを示す値と、当該サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量を示す値とを演算し、前記所定周波数成分の量を示す値を基に、前記ピークを示す値に対応する基準レベルを決定し、当該基準レベルを用いて前記ノック判定レベルを設定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置を構成した。

前記ノック判定レベルは、複数の前記ピークを示す値及び前記所定周波数成分の量を示す値の組に対して漸増する二次以上の関数または漸増する数列を当てはめ、その関数または数列を用いて設定することが好ましい。

本発明によれば、ノック判定の精度の一層の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 内燃機関の火花点火装置の回路図。 内燃機関の気筒におけるイオン電流及び燃焼圧のそれぞれの推移を示す図。 内燃機関の気筒における、ノッキングを引き起こしたときのイオン電流の推移を示す図。 本実施形態の燃焼状態判定装置の機能ブロック図。 イオン電流信号をフィルタ処理して得られるスパイクノイズ抽出信号を例示する図。 イオン電流信号をフィルタ処理して得られるノック抽出信号を例示する図。 ノック抽出信号における、ノイズが混入していると思しき区間を減衰させた状態を例示する図。 同実施形態の燃焼状態判定装置における基準レベル及びノック判定レベルを例示する図。 同実施形態の燃焼状態判定装置の機能ブロック図。 従来の燃焼状態判定装置における基準レベル及びノック判定レベルを例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

燃焼状態判定装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火のタイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

ＥＣＵ０は、燃料の爆発燃焼の際に気筒１の燃焼室内に発生するイオン電流を検出し、このイオン電流を参照して、燃焼状態の判定を行う。

図２に示すように、本実施形態では、火花点火用の電気回路に、イオン電流を検出するための回路を付加している。この検出回路は、イオン電流を効果的に検出するためのバイアス電源部１５と、イオン電流の多寡に応じた検出電圧を増幅して出力する増幅部１６とを備える。バイアス電源部１５は、バイアス電圧を蓄えるキャパシタ１５１と、キャパシタ１５１の電圧を所定電圧まで高めるためのツェナーダイオード１５２と、電流阻止用のダイオード１５３、１５４と、イオン電流に応じた電圧を出力する負荷抵抗１５５とを含む。増幅部１６は、オペアンプに代表される電圧増幅器１６１を含む。

点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間のアーク放電時にはキャパシタ１５１が充電され、その後キャパシタ１５１に充電されたバイアス電圧により負荷抵抗１５５にイオン電流が流れる。イオン電流が流れることで生じる抵抗１５５の両端間の電圧は、増幅部１６により増幅されてイオン電流信号ｈとしてＥＣＵ０に受信される。

図３に、正常燃焼における、イオン電流（図中実線で示す）及び気筒１内の燃焼圧力（筒内圧。図中破線で示す）のそれぞれの推移を例示している。イオン電流は、点火のための放電中は検出することができない。正常燃焼の場合のイオン電流は、火花点火の終了後、化学反応により、圧縮上死点の手前で減少した後、熱解離によって再び増加する。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火時期といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

以降、イオン電流信号ｈを参照したノッキング判定に関して詳述する。

図４に、気筒１での燃料の燃焼中にノッキングが起こった場合の、イオン電流の推移を例示する。ノッキングが引き起こされるとき、気筒１の燃焼室内では燃焼速度の速い、激しい燃焼が生じている。それ故、図３に示した正常燃焼の場合と比較して、イオン電流が早期にピークを迎える。さらに、イオン電流信号ｈの波形に、ノッキングに起因して発生する振動Ｓが重畳される。

図４に示しているイオン電流信号ｈの例では、ノッキングに起因した信号Ｓに加えて、スパイク状のノイズＮが重畳されている。このスパイクノイズＮは、バックグラウンドノイズとは異なり、瞬間的なものである。スパイクノイズＮの発生期間は、ノッキングによる振動Ｓの発生期間と比較しても短い。

スパイクノイズＮは、イオン電流検出用の回路が接続している点火コイル１４に、周辺の磁界の変動に伴って誘起される。スパイクノイズＮの原因は、電子スロットルバルブ３２等を駆動する直流サーボモータまたはステッピングモータの作動、半導体スイッチ素子のスイッチング動作、リレースイッチのＯＮ／ＯＦＦ切換、その他様々である。

図５は、ノッキング判定を行うＥＣＵ０の機能ブロック図である。本実施形態では、各部５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８の機能を、ＥＣＵ０が解釈し実行するプログラム、つまりはソフトウェアとして実装している。尤も、各部５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８の機能の一部または全部を、アナログ回路や論理回路等のハードウェアとして実装することも可能である。

気筒１におけるノッキングの有無を判定するにあたり、ＥＣＵ０は、燃焼中に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を、イオン電流検出用の回路を介してサンプリング５１する。サンプリングレートは、例えば５０ｋＨｚとする。量子化ビット数（電圧分解能）は、例えば１２ビットとする。即ち、増幅部１６にて増幅された検出電圧（最大振幅５Ｖ）を、２¹²段階で数値化する。

ＥＣＵ０は、サンプリング５１したイオン電流信号ｈを、スパイクノイズＮが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ５２、及び、ノッキングに起因して発生する信号Ｓが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ５３に、それぞれ入力する。因みに、それぞれのフィルタ５２、５３に入力してフィルタ処理した信号に、なまし処理（移動平均をとる、一次のローパスフィルタに入力する、等）を加えてもよいが、必須ではない。

前者のフィルタ５２は、スパイクノイズＮ以外の成分を低減させるためのフィルタであって、例えば４．５ｋＨｚないし７．５ｋＨｚの周波数成分を通過させる。図６は、イオン電流検出用の回路を介して取得５１したイオン電流信号ｈを前者のフィルタ５２に入力して処理した結果得られる信号の例を示している。後者のフィルタ５３は、ノッキングに起因した信号Ｓ以外の成分を低減させるためのフィルタであって、例えば７ｋＨｚないし１１．５ｋＨｚの周波数成分を通過させる。図７は、イオン電流検出用の回路を介して取得５１したイオン電流信号ｈを後者のフィルタ５３に入力して処理した結果得られる信号の例を示している。以下、前者のフィルタ５２により処理した信号をスパイクノイズ抽出信号と呼称し、後者のフィルタ５３により処理した信号をノック抽出信号と呼称する。

各フィルタ５２、５３の通過帯域は、そもそも一部（７ｋＨｚないし７．５ｋＨｚの範囲）が重なり合っている。しかも、両フィルタ５２、５３は、何れも理想的なフィルタではない。従って、前者のフィルタ５２はノッキングに起因した信号Ｓの一部成分を減衰させながらも通過させてしまい、後者のフィルタ５３はスパイクノイズＮの一部成分を減衰させながらも通過させてしまう。

そこで、本実施形態では、スパイクノイズ抽出信号（なまし処理したものであることがある）が最大値または最小値をとる時点Ｔを、スパイクノイズＮが発生している時点として検出する。そして、当該時点Ｔから一定期間を、ノック抽出信号にスパイクノイズＮが混入している区間Ｉであると推断する。ここに言う「一定期間」は、当該時点Ｔから前方（過去）の所定長さの期間であってもよいし、当該時点Ｔから後方（未来）の所定長さの期間であってもよい。あるいは、当該時点Ｔの前後に跨る所定長さの期間であってもよい。その期間の長さ（クランク角度（ＣＡ）または時間）は、スパイクノイズＮが収束するのに必要十分な程度に設定することが望ましい。図６に示している例では、フィルタ５２によって処理した信号が最大値をとる時点Ｔを基点として前後に拡張した一定の範囲を、スパイクノイズＮの混入区間Ｉと見なしている。

その上で、ＥＣＵ０は、ノック抽出信号のうち、スパイクノイズＮの混入区間Ｉ内にある信号を減衰させる処理を加える。本実施形態では、スパイクノイズＮの混入区間Ｉにおけるノック抽出信号（なまし処理したものであることがある）から、同区間Ｉにおけるスパイクノイズ抽出信号（なまし処理したものであることがある）を減算５４、５５することで、同区間Ｉ内の信号を減衰させる。図８は、この減衰処理の結果得られる信号の例を示している。このように、本実施形態では、一部の区間Ｉについてのみ、ノイズＮを除去するための処理を施す。

ＥＣＵ０は、区間Ｉ内にある信号を減衰処理したノック抽出信号に基づいて、ノッキングの有無を判定する。具体的には、減衰処理を加えた後のノック抽出信号を時間積分５６、換言すればサンプリング値の時系列を積算する。時間積分５６によって得た積算値は、イオン電流信号ｈに重畳する所定周波数成分の量を示す値となる。所定周波数成分とは、ノッキングに起因して発生する振動Ｓが属する周波数帯の成分のことである。

しかして、上記の積算値をノック判定レベルと比較５７し、前者が後者を下回ったならば、当該気筒１にてノッキングは起こらなかったものと判定する。逆に、積算値がノック判定レベル以上であるならば、当該気筒１にてノッキングが起こったものと判定する。

なお、上記の積算値と比較５７するべきノック判定レベルは、イオン電流信号ｈのピークを示す値の大きさに応じて調整する。ここで、「ピーク」とは、イオン電流信号ｈが火花点火の終了後に減少し、その後熱解離によって再び増加したときの増加の極大値（または、最大値）を言う。また、燃焼圧がピークを迎えるのとほぼ同時にイオン電流も極大となる。図９に、イオン電流信号ｈのピークと、ノック判定レベルとの関係を示している。ノック判定レベル（図中実線で示す）は、同図９に示している基準レベル（図中破線で示す）に乗数ｎを乗じたものである。乗数ｎは、１よりも大きい正数である。乗数ｎは、運転条件によって異なる値をとる。

イオン電流信号ｈのピークの大きさに応じてノック判定レベルを変えるのは、イオン電流信号ｈに現れる振動Ｓの振動の強度（振幅の大きさや、振動し続ける期間の長さ）が、気筒１の燃焼室内に存在するイオンの濃度の多寡に応じて変動すると推測されるためである。引き起こされるノックの強さが同程度である場合、気筒１の燃焼室内に存在しているイオンの濃度が高いほど、振動Ｓの振動の強度が大きくなる。

そして、イオン電流信号ｈのピークの大きさは、気筒１の燃焼室内に存在しているイオンの濃度を示唆している。即ち、イオン電流信号ｈのピークが大きいほど、同じノック強度であっても振動Ｓの強度が大きくなると考えられる。故に、ノック判定レベルを、イオン電流信号ｈのピークが大きいほど高くする。

本実施形態では、基準レベル及びノック判定レベルをともに、二次曲線にて近似する。イオン電流信号ｈのピークの大きさを示す値をＸ軸にとり、イオン電流信号ｈに重畳する所定周波数成分の量をＹ軸にとると、基準レベルの曲線の関数式はＹ＝ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃの形で表され、ノック判定レベルの曲線の関数式はＹ＝ｎ（ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃ）の形で表される。但し、Ｘがとり得る値の範囲内において、両関数のＹは各々単調増加するものとする。

ノック判定レベルを二次曲線とすることで、吸気量及び燃料噴射量の少ない低負荷域から、吸気量及び燃料噴射量の多い高負荷域まで、幅広い運転領域に亘って精確にノック判定を行うことができる。

ＥＣＵ０は、サンプリング５１により得たイオン電流信号ｈのサンプリング値の時系列のピーク値を知得５８し、そのピーク値ｘ_pを関数式に代入してノック判定レベルｎ（Ａｘ_p ²＋Ｂｘ_p＋Ｃ）を算定する。このノック判定レベルｎ（Ａｘ_p ²＋Ｂｘ_p＋Ｃ）を、上記の積算値ｙ_tと比較５７することで、当該１気筒においてノッキングが起こったか否かの判定を下す。既に述べた通り、ｙ_t＜ｎ（Ａｘ_p ²＋Ｂｘ_p＋Ｃ）が成立するならばノッキングなし、ｙ_t≧ｎ（Ａｘ_p ²＋Ｂｘ_p＋Ｃ）が成立するならばノッキングありである。

ＥＣＵ０は、内燃機関の気筒１においてノッキングが起こらなくなるまで点火時期を遅角させる一方、ノッキングが起こらない限りは点火時期を進角させて出力及び燃費の向上を図る。ノック判定及び点火時期の制御は、各気筒１毎に個別に行うことができる。

続いて、基準レベル及びノック判定レベルの学習方法を述べる。図１０は、基準レベル及びノック判定レベルを学習するＥＣＵ０の機能ブロック図である。本実施形態では、各部６１、６２、６３、６４、６５の機能を、ＥＣＵ０が解釈し実行するプログラム、つまりはソフトウェアとして実装している。尤も、各部６１、６２、６３、６４、６５の機能の一部または全部を、アナログ回路や論理回路等のハードウェアとして実装することも可能である。

ノック判定レベルの根拠となる基準レベルを学習するのは、経年変化を含む点火プラグ１２の個体差や、イオン電流検出用回路によるイオン電流信号ｈの出力特性のばらつき等を吸収するためである。

基準レベルひいてはノック判定レベルを定めるにあたり、ＥＣＵ０は、ノッキングが起こらず正常な燃焼が行われた複数の燃焼機会のそれぞれにおいて、イオン電流信号ｈの計測を行う。ＥＣＵ０は、ノッキングの起こらない正常燃焼中に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を、イオン電流検出用の回路を介してサンプリング６１する。このサンプリング６１は、ノック判定におけるサンプリング５１と同様である。

ＥＣＵ０は、個々の正常燃焼の機会においてサンプリング６１したイオン電流信号ｈを、ノッキングに起因して発生する信号Ｓが持つ周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ６２に入力する。このフィルタ６２は、ノック判定におけるフィルタ５３と同様である。因みに、フィルタ６２に入力してフィルタ処理した信号に、なまし処理を加えてもよいが、必須ではない。

そして、フィルタ６２から出力されるノック抽出信号（なまし処理したものであることがある）を時間積分６３、換言すればサンプリング値の時系列を積算する。時間積分６３によって得た積算値は、ノッキングを起こしていない正常燃焼時のイオン電流信号ｈに重畳する所定周波数成分、即ち振動Ｓが属する周波数帯の成分の量を示す値となる。

ノック判定の段階との違いとして、基準レベルの学習では、フィルタ６２を除き、イオン電流信号ｈのサンプリング値の時系列からノイズ成分を除去する目的の処理（フィルタ５２により抽出したノイズ抽出信号をノック抽出信号から減算することはこの処理に含まれる）を施すことなく、フィルタ６２処理及び時間積分６３することが挙げられる。時間積分６３によって得た積算値には、フィルタ６２により除去されなかったバックグラウンドノイズ成分が混入したままとなっている。

また、ＥＣＵ０は、サンプリング６１により得たイオン電流信号ｈのサンプリング値の時系列のピーク値を知得６４する。

以上により、ＥＣＵ０は、正常燃焼時のイオン電流信号ｈのサンプリング値の時系列のピークを示す値ｘと、当該サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量を示す値ｙとの組［ｘ，ｙ］を得る。複数回の正常燃焼の機会において上述の計測及び演算を行えば、複数の［ｘ，ｙ］の組を得ることができる。

その上で、ＥＣＵ０は、前記所定周波数成分の量を示す値ｘを基に、前記ピークを示す値ｙに対応する基準レベルを決定する。本実施形態では、複数の［ｘ，ｙ］の組に対して、最小二乗法またはその他の方法により、基準レベルの関数Ｙ＝ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃの当てはめ６５を行う。即ち、係数Ａ、Ｂ及び切片Ｃを算定する。

ノック判定レベルは、基準レベルを用いて設定する。本実施形態では、基準レベルに乗数ｎを乗算６６して、ノック判定レベルの関数Ｙ＝ｎ（ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃ）を得る。

総じて言えば、ＥＣＵ０は、正常燃焼時のイオン電流信号ｈから、係数Ａ、Ｂ及び切片Ｃ（または、係数ｎＡ、ｎＢ及び切片ｎＣ）を学習する。この学習もまた、各気筒１毎に個別に行うことができる。

本実施形態では、燃焼の際に点火プラグ１２の電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用してイオン電流信号ｈをサンプリングし、そのサンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分を抽出し、抽出した所定周波数成分とノック判定レベルとを比較することでノッキングの有無を判定するものであって、ノッキングが発生していない複数回の燃焼に係る複数のサンプリング値の時系列を取得し、当該サンプリング値の時系列からノイズ成分を除去するための処理を施すことなく、当該サンプリング値の時系列のピークを示す値と、当該サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量を示す値とを演算し、前記所定周波数成分の量を示す値を基に、前記ピークを示す値に対応する基準レベルを決定し、当該基準レベルを用いて前記ノック判定レベルを設定することを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置０を構成した。

本実施形態によれば、ピーク値Ｘを横軸、周波数成分Ｙを縦軸にとった場合のノック判定レベルが平坦に近くなるようなことがなく、吸気量及び燃料噴射量の少ない低負荷域から、吸気量及び燃料噴射量の多い高負荷域まで、幅広い運転領域に亘ってノック判定の精度を一層高めることができる。そして、高負荷域においてノッキングを見逃したり、あるいは低中負荷域において生じていないはずのノッキングを誤検知したりすることが回避され、ドライバビリティを維持しつつも、点火時期の過度の遅角化を抑制して燃費を向上させることが可能となる。

また、特に、本実施形態では、複数の前記ピークを示す値及び前記所定周波数成分の量を示す値の組に対して二次関数Ｙ＝ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃを当てはめ、その二次関数を用いてノック判定レベルＹ＝ｎ（ＡＸ²＋ＢＸ＋Ｃ）を設定するようにしている。この近似関数式は、従来のシステムにおける一次関数と比較して近似（当てはめ）の精度がより高い。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、ノック抽出信号にスパイクノイズＮが混入していると思しき区間Ｉについて、ノック抽出信号からスパイクノイズ抽出信号を減算することにより、当該区間Ｉ内のノック抽出信号を減衰させていた。これ以外に、当該区間Ｉ内に限定してノック抽出信号に１未満のゲインを乗じたり、当該区間Ｉ内のノック抽出信号から所定量を減じたりする等して、ノック抽出信号を減衰させることもできる。ノック抽出信号に乗ずるべき上記のゲインについては、スパイクノイズＮの周波数帯に対するバンドパスフィルタ５２のゲインと、同周波数帯に対するバンドパスフィルタ５３のゲインとの差を考慮した一定比率として求めることが考えられる。

また、上記実施形態では、ノック抽出信号のうちのスパイクノイズＮが混入していると思しき区間Ｉを減衰させた後にこれを積分してノック判定値と比較していたが、先に（未だ減衰処理を施していない）ノック抽出信号を積分しておき、その積分値から、スパイクノイズＮが混入していると思しき区間Ｉについてスパイクノイズ抽出信号を定積分した値を減算することで、ノック判定値と比較するべき値を算出するようにしてもよい。この場合にも、ノック抽出信号のうちの当該区間Ｉ内にある信号を減衰させたものに基づいてノッキングの有無を判定していることに変わりはない。

上記実施形態では、ノック判定において、基準レベルをｎ倍したものをノック判定レベルとしていたが、基準レベルをそのままノック判定レベルとしてもよい。この場合には、ノイズＮの減衰処理を加えた後のノック抽出信号を時間積分した値を（１／ｎ）倍した上で、ノック判定レベルと比較する。

基準レベルの学習において、複数の前記ピークを示す値及び前記所定周波数成分の量を示す値の組に対して当てはめる関数は、二次関数には限定されない。イオン電流信号ｈのピークを示す値Ｘがとり得る値の範囲内において漸増する三次以上の関数としてもよい。

あるいは、関数式ではなく、イオン電流信号ｈのピークを示す値Ｘがとり得る値の範囲内において漸増する傾向を有する数列を当てはめ、その当てはめた数列を基準レベルとすることも考えられる。例えば、ＥＣＵ０のメモリに、予め数列｛Ｙ_i｝をマップデータとして記憶保持させておく。ここで、添字ｉは、イオン電流信号ｈのピークを示す値Ｘを指し示すものであり、定数の比例係数Ｇを介してＧｉ＝Ｘが成立するものとする。そして、複数の前記ピークを示す値及び前記所定周波数成分の量を示す値の組に対して、
｛ＡＹ_i＋Ｂ｝＝ＡＹ₁＋Ｂ，ＡＹ₂＋Ｂ，ＡＹ₃＋Ｂ，……
を当てはめるようにして、係数Ａ及び切片Ｂを算定する。（ＡＹ₁＋Ｂ）はＸ＝ＧのときのＹの最尤推定値、（ＡＹ₂＋Ｂ）はＸ＝２ＧのときのＹの最尤推定値、（ＡＹ₃＋Ｂ）はＸ＝３ＧのときのＹの最尤推定値、……である。

基準レベルの数列｛ＡＹ_i＋Ｂ｝が得られれば、ノック判定レベルの数列｛ｎ（ＡＹ_i＋Ｂ）｝が得られる。ｎ（ＡＹ₁＋Ｂ）はＸ＝Ｇのときのノック判定レベル、ｎ（ＡＹ₂＋Ｂ）はＸ＝２Ｇのときのノック判定レベル、ｎ（ＡＹ₃＋Ｂ）はＸ＝３Ｇのときのノック判定レベル、……である。

上記実施形態における、イオン電流信号ｈの「サンプリング値の時系列のピークを示す値」は、イオン電流信号ｈの再増加期間におけるピーク値そのものであった。これに対し、イオン電流信号ｈの時間積分、即ちサンプリング値の時系列の積算値を以て、「サンプリング値の時系列のピークを示す値」とすることも考えられる。このようにしても、本発明の効果を奏し得る。

上記実施形態における、イオン電流信号ｈの「サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量」は、イオン電流信号ｈをフィルタ５３またはフィルタ６２によって処理した後の信号の時間積分、即ちサンプリング値の時系列の積算値であった。これに対し、イオン電流信号ｈをフィルタ５３またはフィルタ６２によって処理した後の信号の振幅の大きさ、及び／または、当該信号の振動が継続する期間の長さを以て、「サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量」とすることも考えられる。このようにしても、本発明の効果を奏し得る。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…燃焼状態判定装置（ＥＣＵ）
１２…点火プラグ
ｈ…イオン電流信号

Claims (2)

1. 燃焼の際に点火プラグの電極を流れるイオン電流を検出する回路を利用してイオン電流信号をサンプリングし、そのサンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分を抽出し、抽出した所定周波数成分とノック判定レベルとを比較することでノッキングの有無を判定するものであって、
   ノッキングが発生していない複数回の燃焼に係る複数のサンプリング値の時系列を取得し、
   当該サンプリング値の時系列からノイズ成分を除去するための処理を施すことなく、当該サンプリング値の時系列のピークを示す値と、当該サンプリング値の時系列に重畳する所定周波数成分の量を示す値とを演算し、
   前記所定周波数成分の量を示す値を基に、前記ピークを示す値に対応する基準レベルを決定し、当該基準レベルを用いて前記ノック判定レベルを設定する
   ことを特徴とする内燃機関の燃焼状態判定装置。
2. 複数の前記ピークを示す値及び前記所定周波数成分の量を示す値の組に対して漸増する二次以上の関数または漸増する数列を当てはめ、その関数または数列を用いて前記ノック判定レベルを設定する請求項１記載の燃焼状態判定装置。

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