JP2019167929A - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックグラウンドレベルの応答性を高め、運転条件が急変した場合であっても高いノッキング判定精度を実現する。【解決手段】内燃機関のノッキング判定装置は、基準ＢＧＬ記憶手段、レベル算出手段、フィードバック値更新手段を備える。基準ＢＧＬ記憶手段は、ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表す基準ＢＧＬを運転条件毎に予め記憶する。レベル算出手段は、制御周期毎に、基準ＢＧＬ記憶手段から現在の運転条件に応じた基準ＢＧＬを取得し、該基準ＢＧＬと前回のＦ／Ｂ値とに基づいて今回のＢＧＬを算出し、今回のバックグラウンドレベルに基づいてノッキング判定レベルを算出する。フィードバック値更新手段は、現在の運転条件において振動レベルが、ノッキング判定レベル未満である場合に、振動レベルをなまし処理した値に基づいてＦ／Ｂ値を更新する。【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関のノッキング判定装置に関する。

火花点火式の内燃機関（エンジン）では、燃焼行程において、点火プラグからの火花でシリンダ内の混合気を着火させて燃焼させるが、着火後の火炎伝播の途中でシリンダ内の圧力が異常に高くなった場合には、火炎伝播が終了する前に混合気の未燃焼部分が自己着火するノッキング現象が発生することがある。そして、このノッキング現象が発生する状況では、乗員に違和感を与えたり、エンジンに悪影響を与えたりしてしまう。

そのため、従来から、ノッキングの発生時に点火プラグの点火時期を遅角させることでノッキングを解消し、最適なトルクや燃費を実現するための制御であるノックコントロールシステム（ＫＣＳ）が提案されている。

ノックコントロールシステムでは、シリンダブロックに取り付けられたノックセンサが検出した振動レベル（振動値）とノッキング判定レベルと比較することでノッキングの発生有無を判定している。振動レベルがノッキング判定レベル以上の場合にはノッキング発生と判定され、ノッキング判定レベル未満の場合にはノッキング無し（ノッキング未満のノイズ）と判定される。

このノッキング判定レベルは、ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表すバックグラウンドレベル（ＢＧＬ）に所定の係数を乗じて算出される。このバックグラウンドレベルは、ノックセンサが検出した振動レベルがノッキング無し（ノッキング未満のノイズ）と判定された場合にのみ、振動レベルをなまし計算して更新される（後述の式（３））。なまし計算を用いることで、機差ばらつき及び、経年劣化による振動レベル変化を吸収でき、精度良い判定が可能となる。

しかしながら、なまし計算を用いると追従遅れが生じる。そのため、過渡運転時には、なまし計算によるバックグラウンドレベルの追従遅れがノック検出精度を低下させる。図８は、追従遅れ時のバックグラウンドレベル算出イメージについて説明するための図である。実線８１はノックセンサにより検出された振動レベルの時間変化、実線８２はバックグラウンドレベルの時間変化を表している。領域８３に示すように、過渡運転時（図８では加速時）には、なまし計算によるバックグラウンドレベルの追従遅れにより、ノッキング判定レベルを適正なレベルまで高める計算も遅れる。そのため、実際にはノッキングが発生していないにも関わらず、ノックセンサにより検出された振動レベルがノッキング判定レベル以上となり、ノッキングの可能性が高いと誤判定される場合が生じる。誤判定によりノッキングと判定されれば、バックグラウンドレベルは更新されないため、さらに誤判定を継続させてしまう（領域８４）。このように、過渡運転時には、なまし計算による追従遅れがノック検出精度を低下させてしまう問題があった。

過渡運転時におけるノッキング判定レベルの算出遅れを低減するために、特許文献１では、エンジンが過渡運転状態であると判断されたとき、その判定レベルに補正値を加減すると共に、その補正値の大きさをノッキング発生度合の算出値の大きさに応じて変更している。

尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。

特開平８−１５１９５０号公報 特開２００４−０１１６２６号公報 特開２０００−２０５０９６号公報 特開２００８−２６１２９９号公報

しかしながら、特許文献１のノッキング制御装置では、補正値の大きさを算出するためにノッキング発生度合いを用いているため、数回ノッキングが起こってからでなければノッキング判定レベルを算出できず、ノッキング判定レベルの算出遅れをより短くする余地がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、バックグラウンドレベルの応答性を高め、運転条件が急変した場合であっても高いノッキング判定精度を実現できる内燃機関のノッキング判定装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のノッキング判定装置であって、
内燃機関の振動レベルを検出する振動強度検出手段と、
ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表す基準バックグラウンドレベルを運転条件毎に予め記憶した基準バックグラウンドレベル記憶手段と、
制御周期毎に、前記基準バックグラウンドレベル記憶手段から現在の運転条件に応じた基準バックグラウンドレベルを取得し、該基準バックグラウンドレベルと前回のフィードバック値とに基づいて今回のバックグラウンドレベルを算出し、今回のバックグラウンドレベルに基づいてノッキングの発生有無の判定基準であるノッキング判定レベルを算出するレベル算出手段と、
現在の運転条件において前記振動強度検出手段が検出した振動レベルが、前記ノッキング判定レベル未満である場合に、該振動レベルをなまし処理した値に基づいて前記フィードバック値を更新するフィードバック値更新手段と、を備えること特徴とする。

本発明によれば、運転条件毎に予め適合された基準バックグラウンドレベルから、制御周期毎に現在の運転条件に応じた基準バックグラウンドレベルを選択できる。そのため、過渡追従性が高く、誤判定を低減できる。また、ノッキング未満のノイズがノッキングと誤判定されることが低減されるため、過渡運転時においてもなまし計算によるフィードバック値の更新が適切になされる。このフィードバック値で基準バックグラウンドレベルが補正されて、機差ばらつきや経年劣化による振動変化を吸収できる。このように、本発明によれば、バックグラウンドレベルの応答性を高め、運転条件が急変した場合であっても高いノッキング判定精度を実現できる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 実施の形態１に係るノッキング判定装置を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する処理ルーチンのフローチャートである。 過渡運転時におけるノッキング判定装置のバックグラウンドレベル算出イメージを示す図である。 エンジン機差によるばらつきについて説明するための図である。 従来手法におけるノッキング判定ルーチンのフローチャートである。 従来手法の検証結果を示すグラフである。 今回手法の検出結果を示すグラフである。 追従遅れ時のバックグラウンドレベル算出イメージについて説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
（システム構成）
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、火花点火式の内燃機関（一例として、ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられている。排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。内燃機関１０には、燃焼室１４内に燃料を供給するための燃料噴射弁（一例として、直接噴射式燃料噴射弁）２６、および、混合気に点火するための点火装置（点火プラグのみを図示）２８が、それぞれ設けられている。

さらに、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を制御する制御装置として、プロセッサおよびメモリを有する電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０とともに、下記の各種アクチュエータを駆動するための駆動回路（図示省略）などを備えている。

ＥＣＵ４０が操作信号を送信するアクチュエータには、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および点火装置２８等のエンジン運転を制御するための各種アクチュエータが含まれる。

ＥＣＵ４０が信号を受信するセンサには、ノックセンサ３０、クランク角センサ４２、エアフローセンサ４４等の各種センサが含まれる。ノックセンサ３０は、シリンダブロックに取り付けられ、シリンダブロックの振動レベル（振動強度）に応じた信号を出力する。クランク角センサ４２は、クランク軸（図示省略）の近傍に配置され、所定のクランク角毎に信号を出力する。エアフローセンサ４４は、吸気通路１６の入口付近に配置され、吸入空気量に応じた信号を出力する。

ＥＣＵ４０は、各種センサ出力に基づいて、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。例えば、クランク角センサ４２の出力に基づいてクランク角やエンジン回転速度（機関回転速度）ＮＥを算出し、エアフローセンサ４４の出力に基づいて吸入空気量を算出する。また、吸入空気量、エンジン回転速度等に基づいてエンジン負荷率ＫＬを算出する。そして、クランク角に基づいて燃料噴射時期や点火時期を決定し、これらの時期が到来したときに、燃料噴射弁２６および点火装置２８を駆動する。

また、ＥＣＵ４０は、上述のアクチュエータやセンサと共にノッキング制御を実施する。ノッキング制御では、ノックセンサ３０が検出した振動レベルに基づいてノッキングの発生有無を判定し、ノッキング発生時には点火装置２８の点火時期を遅角させてノッキングを解消し、ノッキング未発生時には点火装置２８の点火時期を進角させ、最適なトルクや燃費の実現を図る。

ノッキング制御に際してノッキングの発生有無を判定するため、ＥＣＵ４０は、ノッキング判定装置としての機能を有する。図２〜図４を参照して、本実施形態に係るノッキング判定装置について説明する。

図２は、本実施形態に係るノッキング判定装置を実現するために、ＥＣＵ４０が実行する処理ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の制御周期（例えば１サイクル毎）で繰り返し実行される。制御周期毎に、ノッキング判定装置は、上述したエンジン回転速度、エンジン負荷率、振動レベルを取得する。

まずステップＳ１００において、次式（１）を用いて今回のバックグラウンドレベル（ＢＧＬ）を算出する。
今回ＢＧＬ＝見込み項（運転条件毎のマップ値×Ｋ）＋前回Ｆ／Ｂ項 ・・・（１）
見込み項の値は、次に説明するマップからの取得値にＫ値を乗じて算出される。前回Ｆ／Ｂ項の値（フィードバック値）は、前回ルーチンまでのノッキング無し（ノイズ）時のノックセンサ検出値をなまし処理して算出した値であり、初回ルーチンでは初期値（例えば０）である（後述するステップＳ１３０）。

式（１）の見込み項について説明する。ノッキング判定装置は、ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表す基準バックグラウンドレベルを、運転条件（エンジン回転速度およびエンジン負荷率で定める）毎に適合してマップに予め記憶している。

図３は、過渡運転時におけるノッキング判定装置のバックグラウンドレベル算出イメージを示す図である。実線３１は現在の運転条件に応じてマップから取得する基準バックグラウンドレベルを示す。各制御周期において、マップから現在の運転条件に適合した基準バックグラウンドレベルが取得される。図３では加速に従ってリニアに変化する基準バックグラウンドレベルが取得される。マップ値の取得はなまし計算に依らないため追従遅れがなく、上述した図８で説明した誤判定が低減される。

また、マップ値のみでは、機差ばらつき及び、経年劣化、制御状態変化による振動レベル変化を吸収できないところ、式（１）ではなまし計算を用いた前回Ｆ／Ｂ項が加算されることで、機差ばらつきおよび経年劣化による振動レベル変化も吸収できる。

次に、式（１）の見込み項の係数Ｋについて説明する。図４は、エンジン機差によるばらつきについて説明するための図である。同形式のエンジンＡとエンジンＢであっても、エンジン回転速度に対する振動強度にばらつきが存在する。そのため、マップずれの影響が懸念される。調査の結果、図４に示すようにエンジン機差にオフセット的な変化があり、その分を学習させる。方法としてはアイドル中のノッキングが起きない安定した振動レベル状態を比較しマップ値にＫ倍する補正を設ける。

このように、ステップＳ１００において、ノッキング判定装置は、制御周期毎に、なまし計算に依らずマップから現在の運転条件に適合した基準バックグラウンドレベルを取得し、係数Ｋを乗じ、これに前回Ｆ／Ｂ項の値を加算して今回のバックグラウンドレベルを算出する。

図２に戻り説明を続ける。次にステップＳ１１０において、ステップＳ１００で算出された、ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表す今回のバックグラウンドレベルに所定の係数を乗じて、ノッキング発生有無の判定基準であるノッキング判定レベルを算出する。

次にステップＳ１２０において、ノッキング判定装置は、ノックセンサ３０が検出した振動レベルとノッキング判定レベルとを比較して、ノイズであるかノッキングであるかを判定する。振動レベルがノッキング判定レベル以上である場合にノッキングと判定され、ノッキング判定レベル未満である場合にノイズ（ノッキング無し）と判定される。ノイズと判定された場合は、ステップＳ１３０の処理に進む。一方、ノッキングと判定された場合は、本ルーチンを終了する。この場合、フィードバック値を更新しないため、次制御周期の本ルーチンにおける式（１）のＦ／Ｂ項の値は変更されない。

現在の運転条件においてノックセンサ３０が検出した振動レベルが、ノッキング判定レベル未満である場合、すなわちノイズと判定された場合には、該振動レベルをなまし処理した値に基づいて、次制御周期以降のステップＳ１００で用いるＦ／Ｂ項の値（フィードバック値）を更新する（ステップＳ１３０）。このＦ／Ｂ項のなまし計算には、次式（２）が用いられ、機差ばらつき等を考慮し今回振動レベルとＢＧＬとの差分がフィードバックされる。
更新Ｆ／Ｂ項＝（振動値−ＢＧＬ）×なまし定数＋前回Ｆ／Ｂ項 ・・・（２）
ここで、なまし定数は適合値とする。その後、本ルーチンの処理は終了される。

（効果）
以上説明したように、図２に示すルーチンでは、マップ化となまし処理との融合が図られている。マップ値を用いることで、制御周期毎に現在の運転条件に適合した基準バックグラウンドレベルを選択でき、ノッキング判定レベルを遅れなく振動レベルの変化に追従させることができる。そのため、過渡追従性が高く、過渡運転時においてもノッキングを精度高く判定できる。その結果、本来ノイズと判定されるべき振動レベルがノッキングと誤判定されてしまうことが低減する。適切にノイズと判定されれば、振動レベルのなまし計算により次制御周期で用いられる式（１）のＦ／Ｂ項の値も更新される。式（１）では、上記マップ値のみならず、なまし計算を用いたＦ／Ｂ項が加算されることで、機差ばらつきおよび経年劣化による振動レベル変化も吸収できる。このように、本実施形態のノッキング判定装置によれば、過渡運転時であっても、振動レベルの変化に柔軟に対応でき、精度高くノッキングを判定することができる。

（従来手法と今回手法の検証結果）
最後に従来手法（なまし処理）と今回手法（マップとなまし処理の融合）の検証結果について説明する。

比較対象である従来手法は、図５のフローチャートに示す通りである。具体的には、まず前回ルーチンのバックグラウンドレベルを取得し（ステップＳ２００）、これに基づいてノッキング判定レベルを算出する（ステップＳ２１０）。ノックセンサが検出した振動レベルがノッキング判定レベル未満である場合にノイズと判定し（ステップＳ２２０）、ノイズと判定された場合にのみ、振動レベル（振動値）をなまし処理してバックグラウンドレベルを更新する（ステップＳ２３０）。バックグラウンドレベルは、次式（３）によりなまし計算される。
ＢＧＬ＝（振動値−前回ＢＧＬ）×なまし定数＋前回ＢＧＬ ・・・（３）
ここで、なまし定数は適合値とする。

このように、比較対象である従来手法は、今回振動レベルがノイズと判定された場合のみバックグラウンドレベルを更新する手法であり、前回ＢＧＬと今回振動レベルとの差分をなまし処理により学習させる。

図６は、従来手法の検証結果を示すグラフである。従来手法によれば、過渡運転時に、なまし計算によるバックグラウンドレベルの追従遅れにより、ノッキング判定レベルを適正なレベルまで高める計算も遅れてしまう。そのため、実際にはノッキングが発生していないにも関わらず、ノックセンサにより検出された振動レベルがノッキング判定レベル以上となり、ノッキングと誤判定している。誤判定によりノッキングと判定された場合にはバックグラウンドレベルは更新されないため、さらに１０点火程度、誤判定を継続している。このように、運転条件の急変後に生じた誤判定が継続し、ノック検出精度を低下させている。

一方、図７は、今回手法の検出結果を示すグラフである。上述した今回手法では、マップ化となまし処理との融合が図られている。その結果、上述したようにマップ化による過渡追従性の向上と、なまし処理による機差ばらつき等の変化吸収が両立している。図７では、図６に比して、急変後の追従遅れがなく、誤判定が改善されており、過渡運転時であっても、振動レベルの変化に柔軟に対応でき、精度高くノッキングを判定することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０のメモリが本発明における「基準バックグラウンドレベル記憶手段」に、ノックセンサ３０が本発明における「振動強度検出手段」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ４０が、上記ステップＳ１００およびステップＳ１１０の処理を実行することにより本発明における「レベル算出手段」が、上記ステップＳ１２０およびステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第１の発明における「フィードバック値更新手段」が、それぞれ実現されている。

ところで、上述した実施の形態１のシステムでは、振動レベルをノックセンサ３０により検出しているが、筒内圧を検出する筒内圧センサの検出値から振動レベル相当値を算出して用いてもよい。

なお、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
２０ 吸気弁
２２ 排気弁
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火装置
３０ ノックセンサ
４０ ＥＣＵ
４２ クランク角センサ
４４ エアフローセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関の振動レベルを検出する振動強度検出手段と、
   ノッキングが起こっていない定常時における振動強度を表す基準バックグラウンドレベルを運転条件毎に予め記憶した基準バックグラウンドレベル記憶手段と、
   制御周期毎に、前記基準バックグラウンドレベル記憶手段から現在の運転条件に応じた基準バックグラウンドレベルを取得し、該基準バックグラウンドレベルと前回のフィードバック値とに基づいて今回のバックグラウンドレベルを算出し、今回のバックグラウンドレベルに基づいてノッキングの発生有無の判定基準であるノッキング判定レベルを算出するレベル算出手段と、
   現在の運転条件において前記振動強度検出手段が検出した振動レベルが、前記ノッキング判定レベル未満である場合に、該振動レベルをなまし処理した値に基づいて前記フィードバック値を更新するフィードバック値更新手段と、
   を備えること特徴とする内燃機関のノッキング判定装置。

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