JP2015158202A - 内燃機関の燃焼ノッキングを認識するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼ノッキングを認識するための方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の燃焼ノッキングを認識するための方法であって、内燃機関の動作点で燃焼騒音が検知され、しきい値が提供され、燃焼騒音がしきい値と比較され、燃焼騒音がしきい値よりも大きいときに燃焼ノッキングが認識され、燃焼騒音および／またはしきい値が、比較前に係数で評価され、係数が、内燃機関の動作点に応じたものである方法である。
【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃焼ノッキングを認識するための方法に関する。さらに、本発明は、上記の方法を実施するための請求項１２に記載のモータ制御デバイスに関する。

従来技術において、固体伝播音センサによって、燃焼ノッキングの有無について内燃機関の燃焼行程を監視することが知られている。そのために、検知された燃焼音量がしきい値と比較される。比較の結果、検知された燃焼音量がしきい値よりも大きい場合、燃焼ノッキングが認識される。燃焼ノッキングを認識した後、燃焼プロセスへの介入、例えば点火の遅延が行われて、燃焼ノッキングを止める。長期に及ぶ燃焼ノッキングは、より甚大な故障を内燃機関にもたらすことがある。

今日の従来技術によれば、誤認を防ぐために、動作点の急速な変更時に、基準騒音値を迅速に追従させる。さらに、その基準騒音値は急速に追従するものの正確ではないので、認識しきい値を上昇させることによってノッキング認識の感度を低下させるか、またはノッキング認識を完全に停止させる。この処置は、動作点変更時のノッキング認識の質を非常に大きく低下させる。したがって、確実なノッキング認識が常には保証されない。

独国特許出願公開第１００２１９１３Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１００４３５０１Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９５３９１７１Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１９８２７７０４Ａ１号明細書

本発明の目的は、特に内燃機関の動作点の変更時に燃焼ノッキングを認識するための改良された方法を提供することである。

本発明の目的は、請求項１に記載の方法、および請求項１２に記載のモータ制御デバイスによって解決される。有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。

上記の方法の利点は、内燃機関の動作点の変更時にも燃焼ノッキングの正確な認識が可能であることである。これは、燃焼騒音またはしきい値を比較前に係数で評価することによって実現され、ここで、係数は、内燃機関の動作点に応じたものである。このようにして、内燃機関の動作点に応じて、燃焼騒音の正規化、またはしきい値の評価を行うことが可能である。それにより、特に、動作点の変更時に、迅速に正確なノッキング認識を達成することが可能である。例えば、回転数の変化、負荷の変化、弁行程の切換え、カムシャフトの移動、噴射モードの変更、または点火の変更などによる内燃機関の動作点の変更時、ノッキング認識に重要な燃焼騒音が大きく変化することがある。したがって、動作点の急速な変更、したがって燃焼騒音の急速な変化の際、例えば、前の燃焼行程からの連続平均値生成は、十分に迅速には正確な基準騒音値に達しないことがある。したがって、時として長期に及ぶノッキング認識の誤認が生じ得る。そのため、ノッキング調整によって誤って点火が遅らされることがあり、これはさらに、走行性の低下、排気ガスの増加、燃費の悪化、および性能の低下をもたらすことがある。

本明細書において新規に提案される方法によれば、動作点の急速な変更時にも、実際にノッキングしている燃焼行程の正確な認識が迅速に可能であるので、上記の欠点が解消される。

一実施形態では、本発明の方法を迅速にかつ簡単に実施できるようにする。これは、動作点の変更時に、内燃機関の新たな動作点に関して予想燃焼騒音が決定され、予想燃焼騒音に応じて係数が決定されるか、または検知された燃焼騒音および／またはしきい値が評価されることによって実現される。したがって、新たな動作点に関する燃焼騒音について、係数の精度が高められる。したがって、係数は容易に迅速に決定することができる。

さらなる実施形態では、新たな動作点で予想される燃焼騒音が、特性データから読み出される。特性データは、内燃機関の負荷および／または回転数に応じたものとなり得る。特性データは、好ましくは、内燃機関に基づいて実験的に求められたものである。特性データの使用は、新たな動作点での燃焼騒音の迅速で正確な決定を可能にする。

さらなる実施形態では、新たな動作点で予想される燃焼騒音が、理論的モデルに基づいて評価または計算される。理論的モデルの使用は、特性データを予め実験的に求める必要がないという利点を有する。

さらなる実施形態では、係数は、前の動作点の燃焼騒音と、新たな動作点の燃焼騒音とに応じて決定される。例えば、２つの燃焼騒音の差が生成され、その差に応じて係数が計算される。

さらなる実施形態では、前の燃焼騒音が特性データから読み出され、特性データは、例えば内燃機関に関して実験的に作成されたものである。

さらなる実施形態では、前の燃焼騒音が、理論的モデルに基づいて、前の動作点に応じて計算される。

さらなる実施形態では、しきい値が、少なくとも１つの前の燃焼行程の燃焼騒音に応じて決定される。例えば、しきい値は、前の燃焼騒音に係数＞１を掛けることによって決定することができる。好ましくは、複数の前の燃焼行程の燃焼騒音が平均化され、その値に例えば係数＞１を掛けることによって、しきい値を計算する。

さらなる実施形態では、複数の前の燃焼行程の燃焼騒音が平均化され、その平均燃焼騒音に基づいてしきい値が計算される。したがって、方法の精度をさらに高めることができる。

選択される実施形態によっては、内燃機関の各シリンダを、燃焼ノッキングに関して監視することができる。

本発明を、図面に基づいて以下に詳細に説明する。

燃焼騒音を有する燃焼行程に関する概略的なグラフである。 燃焼騒音を決定するための回路構成の概略図である。 複数の燃焼サイクルにわたる燃焼音量を示すグラフである。 シリンダの複数の燃焼サイクルにわたる相対燃焼音量を示すグラフである。 補正基準騒音音量を決定するための回路構成の概略図である。 動作点が跳ね上がった時の燃焼音量の概略図である。 シリンダの複数回の燃焼行程にわたる相対燃焼音量に関するグラフの概略図である。 正規化燃焼騒音を決定するための第２の回路構成を示す図である。 動作点が跳ね上がる時の、シリンダの複数回の燃焼行程にわたる燃焼音量を示す図である。 シリンダの複数回の燃焼行程にわたる相対燃焼音量のグラフの概略図である。

図１に、燃焼行程中の内燃機関のシリンダに関する燃焼騒音１の音量をノックセンサによって検知したグラフを概略図で示す。このグラフでは、ｙ軸に、燃焼騒音１の音量が取られている。ｘ軸には、時間またはクランクシャフト角度が取られている。検知のために、燃焼騒音１は、燃焼行程中に積分器によって積分値２として積分される。積分値２の最終値は、燃焼行程の燃焼音量７を表す。図示される例示的実施形態では、積分最終値は、燃焼音量７に関して約６５ｄＢである。積分のために測定窓３が使用され、この測定窓３は、点火時点に応じて決定される。さらに、図１には、シリンダ内の燃焼圧に関する特徴線４が描かれており、燃焼圧は、例えば圧力センサによって検知される。

図２は、回路構成５を概略図で示し、この回路構成５を用いて、固体伝播音センサの出力信号６に基づいて、現行燃焼音量７が求められる。図１の燃焼騒音１に相当する固体伝播音センサの信号６は、バンドパスフィルタ８に通される。バンドパスフィルタ８は、燃焼ノッキングの認識に重要な固体伝播音センサの信号６の周波数をフィルタリングする。フィルタリングされた信号は、その後、整流器９に伝送される。整流器９において交流信号が整流され、さらに積分器１０に伝送される。積分器１０は、測定窓３内で受信された信号を積分値２として積分し、積分最終値を、サンプルアンドホールド回路１１を介して燃焼音量７として出力する。

燃焼音量７と基準値との比較により、シリンダ毎に、燃焼ノッキングが起きているか否かを判断することができる。基準値としては、所定数の前の燃焼行程の燃焼音量を連続的に平均化した値を使用することができる。

図３は、シリンダの多数回の燃焼行程にわたる実際の燃焼音量１２の特徴線を表したグラフを概略図で示す。このグラフのｙ軸には、燃焼音量が取られている。ｘ軸には、時間またはクランクシャフト角度が取られている。さらに、シリンダの燃焼行程に関する回数も取られている。さらに、このグラフには、基準騒音１３も描かれている。基準騒音１３は、所定数の前の燃焼行程の燃焼音量７の和を燃焼行程の回数で割って平均化した値として計算される。例えば、５１回目の燃焼行程に関して、基準騒音として、４５回目から５０回目までの燃焼行程の燃焼音量を燃焼行程の回数（６回）で割って平均化した値を使用することができる。図３から、５６回目の燃焼行程において、実際に測定された燃焼音量（現行燃焼音量）１２が基準騒音１３を大幅に上回ることが分かる。

燃焼ノッキングを認識するために、例えば図４に示されるしきい値１４を使用することができる。図４は、図３と同じ燃焼行程を示す。図４には、相対燃焼音量２２が描かれている。相対燃焼音量２２は、図３の現行燃焼音量１２を、図３の基準騒音１３の音量、すなわち少なくとも１つまたは複数の前の燃焼行程の平均音量で割った値として得られる。図４では、ｙ軸に相対燃焼音量２２の音量が取られている。さらに、図４には、しきい値１４が描かれており、このしきい値１４は、相対燃焼音量２２の２．２５倍である。相対燃焼音量２２がしきい値１４を超えると、モータ制御デバイスによって燃焼ノッキングが認識される。これは、例えば、５６回目の燃焼行程について当てはまる。

例えば、回転数の変化、負荷の変化、噴射モードの変更、点火の変更、弁行程の切換え、カムシャフトの移動などによる内燃機関の動作点の変更時、燃焼ノッキングの認識に重要な燃焼騒音が大きく変化することがある。

動作点の急速な変更、ひいては燃焼騒音の急速な変化が生じるとき、例えば前の燃焼行程から連続平均値生成によって得られた基準騒音値を、そのような変化に追従して十分に迅速には適正値にすることができない。したがって、時として長期に及ぶノッキング認識の誤認が生じ得る。そのため、ノッキング調整によって誤って点火が遅らされることがあり、これは、走行性の低下、排気ガスの増加、燃費の悪化、および性能の低下をもたらすことがある。

本願で提案される解決策の基本的な考え方は、動作点の変更時に、燃焼騒音および／またはしきい値を、内燃機関の動作点に応じて、例えばある係数で評価するというものである。ここで、この係数は、内燃機関の動作点に応じたものである。それにより、新たな動作点において前の動作点に比べて基準騒音が大幅に高くまたは低くなり得る状況を考慮に入れることができる。動作点に応じた燃焼騒音および／またはしきい値の評価によって、動作点の変更時にも、燃焼ノッキングの迅速で正確な認識が可能になる。

図５は、第１の回路１５を概略図で示し、この回路１５は、モータ制御デバイス１７の一部でよく、基準騒音音量またはしきい値の迅速な調整を可能にする。第１の回路１５は特性データ１６を備え、この特性データ１６に、内燃機関の様々な動作点に関して予想される燃焼音量が記録されている。特性データ１６は、例えば、内燃機関の回転数および内燃機関の負荷に応じて作成することができる。内燃機関の動作点が、それまでの動作点から新たな動作点に変更された場合、モータ制御デバイス１７は、新たな動作点に応じて、特性データ１６に基づいて予想燃焼音量を決定する。新たな動作点に関する予想燃焼音量は、モータ制御デバイス１７によって、前の燃焼音量の少なくとも１つと比較される。前の燃焼音量としては、実際に固体伝播音センサによって測定された燃焼音量、または特性データ１６に基づいて前の動作点で決定される燃焼音量を使用することができる。予想燃焼音量とそれまでの燃焼音量との比較から、第１の係数が決定される。単純な例では、予想燃焼音量を直前の燃焼音量で割る。

次いで、直前に使用された基準騒音音量に係数を掛けて、新たな動作点に関して使用することができる新たな基準騒音音量が計算される。新たな基準音量を使用してしきい値を生成し、新たな動作点で、測定される燃焼騒音音量をしきい値と比較する。しきい値は、新たな基準音量に所定の係数（例えば係数２．２５）を掛けた値として計算される。したがって、新たな動作点に関するしきい値も、内燃機関の新たな動作点での燃焼音量に関する予想値に応じたものとなる。

さらに、予想燃焼音量の変化に基づいて、測定される燃焼音量の変化を比較的正確に推測することができる。予想される変化を特定するために、現行の動作点の予想燃焼音量が、直前の動作点の予想燃焼音量と比較される。その際、内燃機関の実際の燃焼音量は、近似的に、特性データ１６の予想燃焼音量の値と同じ割合で変化すると仮定される。

特性データ１６は、例えば内燃機関に基づいて実験的に求められ、ここで、その内燃機関は、検査対象の内燃機関に対応する。したがって、新たな動作点に関するしきい値の生成のために決定される基準騒音値は、それまでの基準騒音値に係数を掛けた値として計算することができ、係数は、前の動作点と新たな動作点との予想燃焼音量の比から得られる。

選択される実施形態によっては、基準騒音値の継続的な連続平均値生成を使用することができる。

そのために、図５に示されるように、複数の動作点に関して、予想燃焼音量を積分器１８で加算し、加算された燃焼音量の数で割ることができる。燃焼音量の数は、カウンタ１９によってカウントされる。次いで、連続的に平均化された基準騒音値が、係数２０として乗算器２１に送られる。乗算器２１は、前の動作点の基準騒音音量３０に係数２０を掛ける。それにより、新たな動作点のための新たな基準騒音音量が決定される。さらに、新たな基準騒音音量は、平均値生成器３１によって、所定数にわたって継続的に平均化することができ、その後、基準騒音音量または平均基準騒音音量３２が、モータ制御デバイス１７によって、しきい値１４を計算するため、および／または測定された燃焼音量を正規化するために使用される。

変化に関わる係数のみが考慮に入れられるので、老化や信号検知の部品公差などに左右されることがある絶対音量レベルには依存しない。

フィードフォワードによって、そして、急速に変化し得る現行燃焼音量に対して基準騒音値（少なくとも１つまたは複数の直前の燃焼行程の補正された音量）が密接に追従すること（これはフィードフォワードによって初めて可能になる）によって、ノッキング認識が常に最適に動作することができ、動的プロセス（すなわち動作点の急速な変更）の際にノッキング認識の感度を低下させる、またはノッキング認識を停止させる必要をなくすことができる。

図６は、ｙ軸に燃焼音量を取ったグラフを概略図で示す。ｘ軸には、時間、または内燃機関のシリンダの燃焼行程の回数が取られている。このグラフには、燃焼行程の現行燃焼音量１２、例えば固体伝播音センサによって測定された現行燃焼音量１２が描かれている。さらに、平均基準騒音音量３２が描かれており、これは、図５に関して述べたように決定されたものである。さらに、予想燃焼音量２３が描かれており、これは、特性データ１６から読み出されたものである。図６で、４１回目の燃焼行程において、内燃機関の動作点の変更が生じている。図示される例では、予想燃焼音量２３が、低い値（約５）からより高い値（約１２）に突然上昇する。同様に、測定される現行燃焼音量１２と平均基準騒音音量３２も上昇する。平均基準騒音音量３２の突然の変化は、上述したように、平均基準騒音音量３２の決定のために予想燃焼音量２３が使用されることによってのみ可能である。

図７は、図６と同じ燃焼行程を示す。図７は、ｙ軸に相対燃焼音量２２を取ったグラフを示す。ｘ軸には、時間、またはシリンダの燃焼行程が取られている。図７には、しきい値１４も描かれている。相対燃焼音量２２は、現行燃焼音量１２を平均基準騒音音量３２で割った値として得られる。しきい値１４は、平均化された相対燃焼音量２２の２．２５倍として得られる。

図７から、上記の方法によって、動作点の突然の変更時にも、燃焼ノッキングが起きているか、それとも正常な燃焼行程であるかについて、確実で信頼性の高い認識が可能であることが分かる。

図８は、第２の回路２４を概略図で示し、回路２４も同様に、モータ制御デバイス１７の一部でよい。第２の回路２４は、測定された現行燃焼音量１２から、正規化燃焼音量２６を決定する。このために、測定された現行燃焼音量１２を、動作点に関して予想される燃焼音量２３で割る。このようにして、燃焼音量の正規化が達成される。その際、実際の燃焼音量と予想燃焼音量とのどちらにも見られる音量変化が減少される。そのために、図５の場合と同様に特性データ１６が使用される。特性データ１６は、燃焼行程に関して、内燃機関の動作点に応じて予想される燃焼音量を含む。動作点は、例えば、内燃機関の回転数および／または負荷によって決定することができる。特性データ１６に基づいて、モータ制御デバイス１７は、新たな動作点に関して予想燃焼音量２３を決定する。除算器２５が、測定された現行燃焼音量１２を予想燃焼音量２３で割る。除算器２５は、正規化燃焼音量２６を出力する。選択される実施形態によっては、正規化燃焼音量２６は、複数回の燃焼にわたって平均化することができる。

要因的なノッキング認識動作様式により、燃焼音量の正規化は、ノッキング認識の機能に影響を及ぼさない。現行燃焼音量１２が予想燃焼音量に正確に一致する場合、ノッキング認識で使用される正規化信号レベルは、常に安定して１に保たれる。

例えば、信号検知チェーンの公差により、予想燃焼音量２３に対する現行燃焼音量１２の要因的なずれが生じると、そのずれが、ノッキング認識で使用される信号レベルにも同様に伝達される。同様に要因的なノッキング認識動作様式により、これは認識の質に影響を及ぼさない。

プロセス中に生じる、特性データ１６の予想燃焼音量２３に対する現行燃焼音量１２のずれは、ノッキング認識の信号レベルのずれをもたらす。しかし、これらのずれは、既知の連続平均値生成によって容易に補償することができる。

図９は、ｙ軸に燃焼音量を取ったグラフを示す。ｘ軸には、時間、または内燃機関のシリンダの燃焼行程が取られている。図９には、現行燃焼音量１２と、予想燃焼音量２３と、正規化燃焼音量２６と、所定数の前の燃焼行程の平均正規化燃焼音量２７とが描かれている。４１回目の燃焼行程において、内燃機関の動作点が突然変更され、それにより、予想燃焼音量２３が突然急激に上昇する。

図１０は、ｙ軸に相対燃焼音量を取ったグラフを示す。ｘ軸には、時間、または内燃機関のシリンダの燃焼行程が取られている。さらに、図１０には、相対正規化燃焼音量３３が描かれている。さらに、図１０のグラフには、しきい値１４が描かれている。相対正規化燃焼音量３３は、正規化燃焼音量２６を平均正規化燃焼音量２７で割った比として得られる。しきい値１４は、時間的に平均化された正規化燃焼音量２７の２．２５倍として得られる。

１ 燃焼騒音
２ 積分値
３ 測定窓
６ 信号
７ 燃焼音量
８ バンドパスフィルタ
９ 整流器
１０ 積分器
１２ 現行燃焼音量
１４ しきい値
１６ 特性データ
１７ モータ制御デバイス
１８ 積分器
１９ カウンタ
２１ 乗算器
２２ 相対燃焼音量
２３ 予想騒音音量
２５ 除算器
２６ 正規化燃焼音量
２７ 平均正規化燃焼音量
３０ 基準騒音音量
３１ 平均値生成器
３２ 平均基準騒音音量
３３ 相対正規化燃焼音量

Claims (12)

1. 内燃機関の燃焼ノッキングを認識するための方法であって、前記内燃機関の動作点で燃焼騒音が検知され、しきい値が提供され、前記燃焼騒音が前記しきい値と比較され、前記燃焼騒音が前記しきい値よりも大きいときに燃焼ノッキングが認識され、前記燃焼騒音および／または前記しきい値が、前記比較前に係数で評価され、前記係数が、前記内燃機関の前記動作点に応じたものである方法。
2. 前記動作点の変更時に、新たな動作点に関して予想される燃焼騒音が決定され、前記予想燃焼騒音に応じて前記係数が決定される請求項１に記載の方法。
3. 前記予想される燃焼騒音が特性データから読み出され、前記特性データが、動作点、特に前記内燃機関の負荷および／または回転数に応じたものであり、前記特性データが、好ましくは、内燃機関に基づいて実験的に求められたものである請求項２に記載の方法。
4. 前記予想される燃焼騒音が、理論的モデルに基づいて計算される請求項２に記載の方法。
5. 前の動作点、特に直前の動作点に関して、前の燃焼騒音が決定され、前記前の燃焼騒音が、前記予想燃焼騒音と比較され、前記燃焼騒音の比較から前記係数が決定される請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記前の燃焼騒音が特性データから読み出され、前記特性データが、好ましくは、内燃機関に基づいて実験的に求められたものである請求項５に記載の方法。
7. 前記前の燃焼騒音が、理論的モデルに基づいて計算される請求項５に記載の方法。
8. 前記しきい値が、少なくとも１つの前の燃焼行程の燃焼騒音に応じて決定される請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記しきい値が、複数回の燃焼行程にわたって平均化される請求項８に記載の方法。
10. 複数の前の燃焼行程の前記燃焼騒音が平均化され、前記平均燃焼騒音に基づいて前記しきい値が計算される請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 複数のシリンダを備える内燃機関において、各シリンダの燃焼行程が、燃焼ノッキングの有無について監視される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 請求項１〜１１に記載の方法を実施するように構成されたモータ制御デバイス（１７）。

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