JP2024005029A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングの発生と燃焼騒音の発生とを検知する。【解決手段】主燃焼室と副燃焼室と副燃焼室の内部の混合気を点火する点火部とを有する内燃機関の制御装置１００は、内燃機関の振動を検出するノックセンサ９と、ノッキング、燃焼騒音発生時の振動パターンを示す第１、第２マップを記憶する記憶部５０Ｂと、内燃機関の燃焼サイクル毎に検出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の最大振幅を算出する振幅算出部５４と、最大振幅に基づいて燃焼サイクル毎の振動パターンを示す実測マップを生成するマップ生成部５５と、実測マップと第１、第２マップとを比較することでノッキング、燃焼騒音が発生したか否かを判定する第１、第２判定部５６，５７と、内燃機関の運転条件と判定結果とに基づいて点火部の動作を制御する点火制御部５８とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、副燃焼室を有する内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関のノッキングを検出するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１記載の装置では、所定クランク角間隔でノックセンサの出力信号の周波数成分分析を行い、周波数成分強度の時系列データを二値化し、ノッキングが発生した状態のデータと比較することでノッキングを検出する。

特開２００９－２５７３１６号公報

ところで、主燃焼室と副燃焼室とを有する内燃機関では、副燃焼室から主燃焼室内に火炎を噴出させることで火炎伝播を早めるため、熱効率が高い半面、ノッキングの有無にかかわらず燃焼騒音が発生することがある。このため、ノッキングの発生だけでなく燃焼騒音の発生も検知することが好ましい。

本発明の一態様は、気筒内を往復動するピストンに面した主燃焼室と、噴孔を介して主燃焼室に連通する副燃焼室と、副燃焼室の内部の混合気を点火する点火部と、を有する内燃機関の制御装置であって、内燃機関の振動を検出する振動検出部と、ノッキングが発生しているときの内燃機関の振動パターンを示す第１マップと、燃焼騒音が発生しているときの内燃機関の振動パターンを示す第２マップと、を記憶する記憶部と、内燃機関の燃焼サイクル毎に振動検出部により検出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の最大振幅を算出する振幅算出部と、振幅算出部により算出された最大振幅に基づいて燃焼サイクル毎の内燃機関の振動パターンを示す実測マップを生成するマップ生成部と、マップ生成部により生成された実測マップと記憶部に記憶された第１マップとを比較することでノッキングが発生したか否かを判定する第１判定部と、マップ生成部により生成された実測マップと記憶部に記憶された第２マップとを比較することで燃焼騒音が発生したか否かを判定する第２判定部と、内燃機関の運転条件と、第１判定部および第２判定部による判定結果と、に基づいて、点火部の動作を制御する点火制御部と、を備える。

本発明によれば、ノッキングの発生と燃焼騒音の発生とを検知することができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関としてのエンジンの要部構成を概略的に示す図。 図１の要部拡大図。 図１のシリンダブロックを模式的に示す斜視図。 本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置の要部構成を示すブロック図。 図１のエンジンでノッキングや燃焼騒音が発生するときの共鳴周波数について説明するための図。 ノッキングによる振動が発生する第１領域について説明するための図。 燃焼騒音による振動が発生する第２領域について説明するための図。 着座ノイズによる振動が発生する第３領域について説明するための図。 図４の振幅算出部により振動データの最大振幅が算出される領域について説明するための図。 図４のコントローラで実行される処理の一例を示すフローチャート。

以下、図１～図８を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の一例であるエンジン１の要部構成を概略的に示す図である。エンジン１は、例えばガソリンを燃料として火花点火により混合気の燃焼を行うガソリンエンジンであり、動作周期の間に吸気、膨張、圧縮および排気の４つの行程を経る４ストロークエンジンである。吸気行程の開始から排気行程の終了までを、便宜上、エンジン１の燃焼行程の１サイクルまたは燃焼サイクルと称する。エンジン１は４気筒、６気筒、８気筒等、複数の気筒を有するが、図１には、単一の気筒の構成を示す。なお、各気筒の構成は互いに同一である。燃料は、アルコールを含む燃料であってもよい。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック１１に形成された略円筒形状のシリンダ２と、シリンダ２の内壁に沿って摺動可能に配置されたピストン３と、ピストン３とシリンダヘッド１２との間に形成された燃焼室４と、を有する。ピストン３は、コンロッド５を介してクランクシャフト６に連結され、シリンダ２内をピストン３が往復動することにより、クランクシャフト６が回転する。なお、ピストン３の上面は例えば凹凸状に形成されるが、図１では、便宜上、平坦面として示す。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート１３と排気ポート１４とが設けられる。燃焼室４には、吸気ポート１３を介して吸気通路１５が連通する一方、排気ポート１４を介して排気通路１６が連通する。吸気ポート１３は吸気バルブ１７により開閉され、排気ポート１４は排気バルブ１８により開閉される。吸気バルブ１７の上流側の吸気通路１５には、スロットルバルブ１９が設けられ、スロットルバルブ１９により燃焼室４へ流れる吸気量が調整される。吸気バルブ１７と排気バルブ１８とは、不図示の動弁機構により、クランクシャフト６の回転に同期した所定のタイミングで開閉される。

シリンダヘッド１２には、燃焼室４に臨むようにインジェクタ７が装着される。インジェクタ７は、例えばシリンダブロック１１の側方かつ吸気バルブ１７の近傍に、先端の燃料噴射口を斜め下方に向けて配置される。インジェクタ７は、コントローラ（図４）からの指令により、吸気行程から圧縮行程にかけての範囲内で１回または複数回、燃焼室４内に燃料を噴射する。すなわち、インジェクタ７は、筒内噴射型の燃料噴射弁として構成される。なお、インジェクタ７の配置はこれに限らず、例えば吸気ポート１３に面してインジェクタ７を配置し、ポート噴射型の燃料噴射弁として構成してもよい。

シリンダヘッド１２の中央部には、吸気ポート１３と排気ポート１４との間において、ピストン３に向けてハウジング４５が突設される。図２は、ハウジング４５の周囲の構成を拡大して示す図１の要部拡大図である。図２に示すように、ハウジング４５は、軸線ＣＬ１を中心とした断面略Ｕ字状、より具体的には、突出側の先端部４６が略円弧状（例えば半円状ないしドーム状）に形成され、先端部４６は、軸線ＣＬ１を中心とした対称形状を呈する。軸線ＣＬ１は、例えば図１のシリンダ２の中心線に一致する。軸線ＣＬ１がシリンダ２の中心線から例えばインジェクタ７の反対側にずれるようにハウジング４５を設けてもよい。

ハウジング４５の先端部４６には、軸線ＣＬ１を中心として周方向等間隔に周方向複数の貫通孔、すなわち噴孔４７が開口される。噴孔４７は、軸線ＣＬ１からピストン３側かつ径方向外側に斜めに延在する軸線ＣＬ２に沿って放射状に開口される。なお、軸線ＣＬ１と軸線ＣＬ２とのなす角α１は、燃焼室壁に火炎ジェットが触れないような角度に設定することが好ましく、例えば３０°～６０°の範囲にある。

燃焼室４は、ハウジング４５により、ハウジング４５の外側の主燃焼室４１と、ハウジング４５の内側の副燃焼室４２とに分けられる。図１に示すように、インジェクタ７は主燃焼室４１に面して配置され、主燃焼室４１に燃料が噴射される。吸気ポート１３と排気ポート１４との間のシリンダヘッド１２の中央部、より具体的には、軸線ＣＬ１上には、点火プラグ８が設けられる。点火プラグ８は、先端の点火部が副燃焼室４２に面するようにその長手方向の中心線が例えば軸線ＣＬ１に沿って配置され、コントローラ（図４）からの指令に応じて電気エネルギーにより点火部で火花を発生するように構成される。

インジェクタ７から主燃焼室４１に燃料が噴射されると、主燃焼室４１で空気と燃料との混合気が生成される。この混合気の一部は、周方向複数の噴孔４７を介して副燃焼室４２に流入し、点火プラグ８で点火されて燃焼する。副燃焼室４２で生成された燃焼ガスは、噴孔近傍の混合気を未燃ガスジェットとして主燃焼室４１に追いやった後、複数の噴孔４７からトーチ状の火炎ジェット４８として放射状に噴出し、主燃焼室４１の混合気を燃焼させる。膨張行程では、主燃焼室４１で燃焼した高温高圧の燃焼ガスによってピストン３が押し下げられ、クランクシャフト６が回転される。

図３は、シリンダブロック１１を模式的に示す斜視図である。図３に示すように、シリンダブロック１１には、エンジン１の振動を検出するノックセンサ９が取り付けられる。ノックセンサ９は、重りと圧電セラミックス等の圧電素子とを有する振動センサとして構成され、重りの振動に応じた力が圧電素子に加わることで電気信号を生じる。ノックセンサ９は１つのシリンダ２に対して１つ設けられてもよく、図３に示すように複数のシリンダ２に対して１つ設けられてもよい。この場合、ノックセンサ９は、複数のシリンダ２により構成されるシリンダ列の中央付近に取り付けられる。

副燃焼室４２の噴孔４７から主燃焼室４１内に火炎ジェット４８を噴出させる場合、主燃焼室４１での火炎伝播が早まるため、エンジン１の熱効率が高まる半面、ノッキングの有無にかかわらず燃焼騒音が発生することがある。そこで、本実施形態では、ノックセンサ９により検出されたエンジン１の振動データに基づいてノッキングの発生と燃焼騒音の発生とを検知することができるよう、以下のように内燃機関の制御装置を構成する。

図４は、本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置（以下、装置）１００の要部構成を示すブロック図である。図４に示すように、装置１００は、コントローラ５０を中心として構成され、コントローラ５０にそれぞれ接続された点火プラグ８と、ノックセンサ９と、クランク角センサ５１と、吸気量センサ５２と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５３とを有する。

クランク角センサ５１は、クランクシャフト６に設けられ、クランクシャフト６の回転に伴いパルス信号を出力するように構成される。コントローラ５０は、クランク角センサ５１からのパルス信号に基づいて、ピストン３の吸気行程開始時の上死点ＴＤＣの位置を基準としたクランクシャフト６の回転角度（クランク角）を特定するとともに、エンジン回転数を算出する。したがって、クランク角センサ５１は、エンジン回転数センサとしても機能する。

吸気量センサ５２は、シリンダ２への吸入空気量を検出するセンサであり、例えば吸気通路１５（より具体的にはスロットルバルブの上流）に配置されたエアフロメータにより構成される。コントローラ５０は、吸気量センサ５２からの信号に基づいてインジェクタ７の目標噴射量を算出する。吸気量センサ５２により検出される吸気量は、エンジン１の出力トルクと相関関係を有する。したがって、吸気量センサ５２は、エンジン負荷を検出するトルクセンサとしても機能する。

図５は、エンジン１（主燃焼室４１）でノッキングや燃焼騒音が発生するときの共鳴周波数について説明するための図である。図６Ａは、ノッキングによる振動が発生する第１領域ＫＳ１について説明するための図である。図６Ｂは、燃焼騒音による振動が発生する第２領域ＫＳ２について説明するための図である。図６Ｃは、着座ノイズによる振動が発生する第３領域ＫＳ３について説明するための図である。図６Ａ～図６Ｃの横軸はクランク角θを示し、縦軸は周波数ｆを示す。

発明者らは、短時間フーリエ変換を用いてエンジン１の振動データを周波数毎に解析し、ノッキングによる振動と燃焼騒音による振動とでは発生する周波数帯や減衰するまでの時間が異なることを知見した。また、吸気バルブ１７の着座（閉弁）による振動（以下、着座ノイズという）が減衰するまでの時間が、ノッキングや燃焼騒音による振動が減衰するまでの時間よりも極めて短いことを知見した。

点火プラグ８（図２）による点火が行われると、副燃焼室４２の各噴孔４７から主燃焼室４１内に火炎ジェット４８が噴出し、火炎ジェット４８が到達するシリンダ２の壁面付近で筒内圧が高まることで圧力波が発生する。また、ノッキング発生時は、シリンダ２の壁面付近の複数の着火点で混合気が自着火し、各着火点を起点とする圧力波も発生する。このように発生した圧力波は、シリンダ２の反対側の壁面で反射した反射波と干渉し、これにより主燃焼室４１内で共鳴現象が発生する。

点火プラグ８による点火が行われる上死点ＴＤＣ付近のクランク角では、主燃焼室４１は直径に対して高さが十分小さい円筒空間を形成する。このような円筒空間では、周方向と径方向とに振幅と位相の空間分布を有する複数の共鳴モードが発生する。図５には、円筒空間で発生する共鳴モードのモード形状が示される。破線は共鳴振動の節線を表し、±は共鳴振動の位相を表す。周方向の次数ｍは、円筒空間の周方向における節線の本数に対応し、径方向の次数ｎは、円筒空間の径方向における節線の本数に対応する。ノッキング発生時は、火炎ジェット４８が到達するシリンダ２の壁面付近と、その反対側の壁面付近とで同時に自着火が発生し、各着火点を起点とする圧力波と反射波とが複雑に干渉し合う。これにより複数のモードの共鳴が同時に発生する。

このような共鳴モードの周波数（共鳴周波数）ｆ_m,n,0［Ｈｚ］は、Ｄｒａｐｅｒの式に基づいて推定することができる。ρ_m,n,0はモード定数、κは比熱比、Ｒは気体定数［Ｊ／ｋｇＫ］、Τは主燃焼室４１の代表温度［Ｋ］、Ｂは円筒空間の直径（すなわち、シリンダ２の直径）［ｍ］である。
ｆ_1,0,0＝ρ_1,0,0（κＲＴ）^1/2／πＢ

図５では、一例として、円筒空間の直径Ｂを０．０７３［ｍ］、比熱比κを１．３、気体定数Ｒを２８７［Ｊ／ｋｇＫ］、代表温度Τを２４２４［Ｋ］とした場合の共鳴周波数ｆ_m,n,0を示す。ノッキング発生時の振動は、（１，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_1,0,0（７．６３［ｋＨｚ］）、（２，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_2,0,0（１２．６［ｋＨｚ］）、（０，１，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_0,1,0（１５．９［ｋＨｚ］）、（３，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_3,0,0（１７．４［ｋＨｚ］）、および（１，１，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_1,1,0（２２．１［ｋＨｚ］）付近で発生する。

燃焼騒音発生時の振動は、（１，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_1,0,0（７．６３［ｋＨｚ］）および（１，１，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_1,1,0（２２．１［ｋＨｚ］）付近で発生する。燃焼騒音発生時の振動は、（２，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_2,0,0（１２．６［ｋＨｚ］）、（０，１，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_0,1,0（１５．９［ｋＨｚ］）、および（３，０，０）モードに対応する共鳴周波数ｆ_3,0,0（１７．４［ｋＨｚ］）付近では発生しない。

図６Ａ～図６Ｃを参照して、エンジン１の燃焼サイクル毎にノックセンサ９により検出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行ったときの解析結果について説明する。図６Ａに第１領域ＫＳ１として示すように、ノッキングによる振動は広い周波数帯で発生し（例えば５ｋＨｚ～２３ｋＨｚ程度）、減衰にかかる時間は長い（例えば６０度程度）。図６Ｂに第２領域ＫＳ２として示すように、燃焼騒音による振動は一部の周波数帯のみで発生し（例えば５ｋＨｚ～１２ｋＨｚ程度の周波数帯と１８ｋＨｚ～２２ｋＨｚ程度の周波数帯）、減衰にかかる時間はノッキング発生時の振動より短い（例えば５０度程度）。ノッキングや燃焼騒音による振動は、点火プラグ８による点火が行われる上死点ＴＤＣ直後（膨張行程開始直後）のクランク角で発生する。

図６Ｃに第３領域ＫＳ３として示すように、着座ノイズによる振動は、広い周波数帯で発生し（例えば１０ｋＨｚ～２４ｋＨｚ程度）、減衰にかかる時間はノッキングや燃焼騒音による振動に比して極めて短い（例えば１５度程度）。着座ノイズによる振動が発生するタイミングは、吸気バルブ１７の閉弁時期に連動して変化する。

図４のＢＰＦ５３は、ノックセンサ９により検出された振動データから予め定められた周波数帯、すなわちノッキング、燃焼騒音および着座ノイズによる振動が発生し得る周波数帯（例えば、４ｋＨｚ～２４ｋＨｚ）の振動データを抽出するように構成される。

図４のコントローラ５０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成され、ＣＰＵ等の演算部５０Ａと、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部５０Ｂと、その他の周辺回路とを有するコンピュータを含んで構成される。コントローラ５０の演算部５０Ａは、振幅算出部５４と、マップ生成部５５と、第１判定部５６と、第２判定部５７と、点火制御部５８として機能する。

振幅算出部５４は、エンジン１の燃焼サイクル毎にノックセンサ９により検出され、ＢＰＦ５３により抽出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角（例えば６度）毎および所定周波数帯（例えば１ｋＨｚ）毎の最大振幅Ａを算出する。より具体的には、短時間フーリエ変換された振動データに基づいて、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の複数の領域（ｉ，ｊ）について、各領域における振動データの最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）を算出する。

図７は、振幅算出部５４により振動データの最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）が算出される領域（ｉ，ｊ）について説明するための図である。各領域のクランク角θは、例えば０～６度（ｉ＝１）、６～１２度（ｉ＝２），...，８４～９０度（ｉ＝１５）に設定され、各領域の周波数ｆは、例えば４～５ｋＨｚ（ｊ＝１），５～６ｋＨｚ（ｊ＝２），...，２３～２４ｋＨｚ（ｊ＝２０）に設定される。この場合、振幅算出部５４により算出される最大振幅Ａ（３，４）は、クランク角θが１２～１８度（ｉ＝３）、周波数ｆが７～８ｋＨｚ（ｊ＝４）の領域（３，４）における振動データの最大振幅Ａを表す。

マップ生成部５５は、振幅算出部５４により算出された各領域の最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）に基づいて、実際に観測された燃焼サイクル毎のエンジン１の振動パターンを示す２次元マップを生成する。先ず、マップ生成部５５は、振幅算出部５４により算出された各領域の最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）をそのまま格納した２次元マップ（最大振幅マップ）を生成し、記憶部５０Ｂに記憶する。

次いで、マップ生成部５５は、最大振幅マップの各領域の最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）がエンジン１の運転条件に応じて予め定められた閾値ａを超えるか否かを判定する。閾値ａは、試験により予め定められ、記憶部５０Ｂに記憶される。最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）が閾値ａを超える場合（Ａ＞ａ）、その領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ０＝１を割り当て、閾値ａ以下の場合（Ａ≦ａ）、その領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ０＝０を割り当てる。マップ生成部５５は、各領域に割り当てられたマップ値Ｍ０（ｉ，ｊ）（“１”または“０”）を格納した２次元マップ（振動パターンマップ、実測マップ）を生成し、記憶部５０Ｂに記憶する。

閾値ａを定めるための試験は、エンジン１の運転条件、すなわちエンジン回転数とエンジン負荷とを変えながら行われ、閾値ａは、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて予め定められた特性マップとして記憶部５０Ｂに記憶される。マップ生成部５５は、クランク角センサ５１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ５２により検出されたエンジン負荷とに基づいて、記憶部５０Ｂに記憶された特性マップから運転条件に応じた閾値ａを検索し、実測マップの生成に用いる。実測マップの生成に用いる閾値ａをエンジン１の運転条件に応じてきめ細かく設定しておくことで、以降のノッキングの検知や燃焼騒音の検知を精度よく行うことができる。

閾値ａは、ノッキング判定用の閾値ａ１と燃焼騒音判定用の閾値ａ２として別々に定められてもよい。ノッキング検知用の実測マップの生成に用いる閾値ａ１と、燃焼騒音検知用の実測マップの生成に用いる閾値ａ２とを別々に設けることで、以降のノッキングの検知や燃焼騒音の検知を一層精度よく行うことができる。

記憶部５０Ｂには、ノッキングによる振動パターンマップ（第１マップ）と、燃焼騒音による振動パターンマップ（第２マップ）と、着座ノイズによる振動パターンマップ（第３マップ）とが記憶される。第１マップには、図６Ａの第１領域ＫＳ１内に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ１＝１が格納され、第１領域ＫＳ１外に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ１＝０が格納される。第２マップには、図６Ｂの第２領域ＫＳ２内に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ２＝１が格納され、第２領域ＫＳ２外に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ２＝０が格納される。第３マップには、図６Ｃの第３領域ＫＳ３内に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ３＝１が格納され、第３領域ＫＳ３外に相当する各領域（ｉ，ｊ）にマップ値Ｍ３＝０が格納される。なお、着座ノイズによる振動が発生するタイミングは吸気バルブ１７の閉弁時期に連動して変化するため、吸気バルブ１７の閉弁時期に応じて複数の第３マップが記憶部５０Ｂに予め記憶される。

マップ生成部５５は、実測マップの各領域のマップ値Ｍ０（ｉ，ｊ）から着座ノイズに対応する第３マップの各領域のマップ値Ｍ３（ｉ，ｊ）を減算することでノイズ除去後の実測マップを生成し、記憶部５０Ｂに記憶する。このとき、マップ生成部５５は、記憶部５０Ｂに記憶された複数の第３マップから吸気バルブ１７の閉弁時期に応じた第３マップを検索して用いる。これにより、吸気バルブ１７の着座ノイズの影響を受けることがなく、ノッキングや燃焼騒音の過剰検知を抑制することができる。

第１判定部５６は、マップ生成部５５により生成された実測マップ（ノイズ除去後の実測マップ）と、記憶部５０Ｂに記憶されたノッキングに対応する第１マップとを比較することで、ノッキングが発生したか否かを判定する。より具体的には、先ず、第１判定部５６は、ノイズ除去後の実測マップの各領域のマップ値Ｍ０（ｉ，ｊ）に第１マップの各領域のマップ値Ｍ１（ｉ，ｊ）を乗算し、全領域のマップ値の積Ｍ０Ｍ１（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ０Ｍ１を算出する。これにより、実測マップの振動パターンとノッキングに対応する第１マップの振動パターンとが一致する領域には“１”が、一致しない領域には“０”が割り当てられる。

次いで、第１判定部５６は、ノッキングに対応する第１マップの全領域のマップ値Ｍ１（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ１を算出する。次いで、第１判定部５６は、算出された積算値ΣＭ０Ｍ１から積算値ΣＭ１を除算する。これにより、実測マップの振動パターンとノッキングに対応する第１マップの振動パターンとが一致する領域の割合（第１適合率）ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１が算出される。

第１判定部５６は、算出された第１適合率ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１が、エンジン１の運転条件に応じて予め定められた第１閾値Ｔｈ１を超えるか否かを判定する。第１適合率ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１が第１閾値Ｔｈ１を超える場合（ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１＞Ｔｈ１）は、ノッキングが発生したと判定され、第１閾値Ｔｈ１以下の場合（ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１≦Ｔｈ１）は、ノッキングが発生していないと判定される。第１判定部５６によるノッキングの判定に用いられる第１閾値Ｔｈ１は、試験により予め定められ、記憶部５０Ｂに記憶される。

第１閾値Ｔｈ１を定めるための試験は、エンジン１の運転条件、すなわちエンジン回転数とエンジン負荷とを変えながら行われ、第１閾値Ｔｈ１は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて予め定められた特性マップとして記憶部５０Ｂに記憶される。第１判定部５６は、クランク角センサ５１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ５２により検出されたエンジン負荷とに基づいて、記憶部５０Ｂに記憶された特性マップから運転条件に応じた第１閾値Ｔｈ１を検索し、ノッキングの判定に用いる。ノッキングの判定に用いる第１閾値Ｔｈ１をエンジン１の運転条件に応じてきめ細かく設定しておくことで、ノッキングの発生を一層精度よく検知することができる。

図６Ａおよび図６Ｃに示すように、着座ノイズによる振動の減衰にかかる時間はノッキングによる振動に比して極めて短い。このため、着座ノイズの発生時期（図６Ｃの第３領域ＫＳ３の左端）がノッキングの発生時期（図６Ａの第１領域ＫＳ１の左端）に一致し、第３領域ＫＳ３が第１領域ＫＳ１に大幅に重なったとしても、ノッキングが発生したか否かの判定には影響しない。すなわち、第１閾値Ｔｈ１は、着座ノイズを除いた分だけ第１適合率ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１が低下したとしてもノッキングが発生したか否かを判定できるよう、適切な値に定められる。

ノッキングはエンジン部品の損傷につながるため、ノッキングの発生が検知された場合には、直ちに点火時期を遅角し、ノッキングを解消する必要がある。この場合、ノッキングを解消するために十分な遅角量（第１所定量）θ１を確保する必要がある（例えば、１．５度程度）。

第２判定部５７は、第１判定部５６によりノッキングが発生していないと判定されることを条件として、ノイズ除去後の実測マップと、記憶部５０Ｂに記憶された燃焼騒音に対応する第２マップとを比較することで、燃焼騒音が発生したか否かを判定する。より具体的には、先ず、第２判定部５７は、ノイズ除去後の実測マップの各領域のマップ値Ｍ０（ｉ，ｊ）に第２マップの各領域のマップ値Ｍ２（ｉ，ｊ）を乗算し、全領域のマップ値の積Ｍ０Ｍ２（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ０Ｍ２を算出する。これにより、実測マップの振動パターンと燃焼騒音に対応する第２マップの振動パターンとが一致する領域には“１”が、一致しない領域には“０”が割り当てられる。

次いで、第２判定部５７は、燃焼騒音に対応する第２マップの全領域のマップ値Ｍ２（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ２を算出する。次いで、第２判定部５７は、算出された積算値ΣＭ０Ｍ２から積算値ΣＭ２を除算する。これにより、実測マップの振動パターンと燃焼騒音に対応する第２マップの振動パターンとが一致する領域の割合（第２適合率）ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２が算出される。

第２判定部５７は、算出された第２適合率ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２が、エンジン１の運転条件に応じて予め定められた第２閾値Ｔｈ２を超えるか否かを判定する。第２適合率ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２が第２閾値Ｔｈ２を超える場合（ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２＞Ｔｈ２）は、燃焼音が基準より大きいと判定され、第２閾値Ｔｈ２以下の場合（ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２≦Ｔｈ２）は、燃焼音が基準以下であると判定される。第２判定部５７による燃焼音の判定に用いられる第２閾値Ｔｈ２も、試験により予め定められ、記憶部５０Ｂに記憶される。

第２閾値Ｔｈ２を定めるための試験は、エンジン１の運転条件、すなわちエンジン回転数とエンジン負荷とを変えながら行われ、第２閾値Ｔｈ２は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて予め定められた特性マップとして記憶部５０Ｂに記憶される。第２判定部５７は、クランク角センサ５１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ５２により検出されたエンジン負荷とに基づいて、記憶部５０Ｂに記憶された特性マップから運転条件に応じた第２閾値Ｔｈ２を検索し、燃焼音の判定に用いる。燃焼音の判定に用いる第２閾値Ｔｈ２をエンジン１の運転条件に応じてきめ細かく設定しておくことで、燃焼騒音の発生を一層精度よく検知することができる。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、燃焼騒音による振動は一部の周波数帯のみで発生し、減衰にかかる時間はノッキング発生時の振動より短いため、燃焼騒音の振動パターン（第２領域ＫＳ２）はノッキングの振動パターン（第１領域ＫＳ１）に含まれる。ノッキングが発生していないと判定されることを条件として燃焼騒音が発生したか否かを判定することで、ノッキングによる振動の影響を受けることなく、燃焼騒音が発生したか否かを適切に判定することができる。

図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、着座ノイズによる振動の減衰にかかる時間は燃焼騒音による振動に比して極めて短い。このため、着座ノイズの発生時期（図６Ｃの第３領域ＫＳ３の左端）が燃焼騒音の発生時期（図６Ｂの第２領域ＫＳ２の左端）に一致し、第３領域ＫＳ３が第２領域ＫＳ２に大幅に重なったとしても、燃焼音が基準を超えたか否かの判定には影響しない。すなわち、第２閾値Ｔｈ２は、着座ノイズを除いた分だけ第２適合率ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２が低下したとしても燃焼音が基準を超えたか否かを判定できるよう、適切な値に定められる。

第２判定部５７は、燃焼サイクル毎の燃焼音の判定において、連続して、燃焼サイクルで燃焼音が基準より大きいと判定した回数Ｃ２が所定回数ｃ２（例えば、１回）を超えると、燃焼騒音が発生したと判定する。第２判定部５７による燃焼騒音の判定に用いられる所定回数ｃ２は、試験により予め定められ、記憶部５０Ｂに記憶される。

所定回数ｃ２を定めるための試験は、エンジン１の運転条件、すなわちエンジン回転数とエンジン負荷とを変えながら行われ、所定回数ｃ２は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて予め定められた特性マップとして記憶部５０Ｂに記憶される。第２判定部５７は、クランク角センサ５１により検出されたエンジン回転数と吸気量センサ５２により検出されたエンジン負荷とに基づいて、記憶部５０Ｂに記憶された特性マップから運転条件に応じた所定回数ｃ２を検索し、燃焼騒音の判定に用いる。燃焼音が基準を超える頻度の判定に用いる閾値としての所定回数ｃ２をエンジン１の運転条件に応じてきめ細かく設定しておくことで、燃焼騒音の発生を一層精度よく検知することができる。

ノッキングが発生していなければ、燃焼騒音が発生していても、すなわち燃焼音がユーザに違和感を与えるほど大きくなったとしても、エンジン部品が損傷することはない。ただし、その音量（振動）が大きい状態が一定の頻度以上で発生すると、ユーザに違和感を与え、エンジン１の商品性を低下させるおそれがある。燃焼音も、ノッキングと同様に、点火時期を遅角することで緩和することができる。燃焼騒音の発生が検知された場合には、点火時期を遅角して燃焼音を緩和することが好ましい。燃焼音をユーザに違和感を与えない程度まで軽減するための遅角量（第２所定量）θ２は、ノッキングを解消するために必要となる第１所定量θ１よりも小さい（θ１＞θ２）（例えば、０．５度程度）。

点火制御部５８は、エンジン１の運転条件と第１判定部５６および第２判定部５７による判定結果とに基づいて点火プラグ８の動作を制御する。すなわち、点火制御部５８は、ノッキングも燃焼騒音も発生していない場合は、エンジン１の運転条件に応じて予め定められた基準点火時期θ０、例えば最大トルクが得られる最適点火時期ＭＢＴで点火を行うように、点火プラグ８の動作を制御する。

点火制御部５８は、第１判定部５６によりノッキングが発生したと判定されると、第１所定量θ１だけ点火時期を遅角するように点火プラグ８の動作を制御する（θ０→θ０＋θ１）。また、第２判定部５７により燃焼騒音が発生したと判定されると、第２所定量θ２だけ点火時期を遅角するように点火プラグ８の動作を制御する（θ０→θ０＋θ２）。第１所定量θ１および第２所定量θ２は、試験により予め定められ、記憶部５０Ｂに記憶される。

図８は、予め記憶されたプログラムに従い、図４のコントローラ５０で実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、エンジン始動後に開始され、所定周期で繰り返される。

図８に示すように、先ずステップＳ１で、クランク角センサ５１および吸気量センサ５２からの信号と、ＢＰＦ５３により抽出された振動データとを読み込む。次いでステップＳ２で、ステップＳ１で読み込まれた信号に基づいてエンジン１の運転条件を特定する。次いでステップＳ３で、ステップＳ１で読み込まれたエンジン１の燃焼サイクル毎の振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）を算出し、最大振幅マップを生成する。次いでステップＳ４で、ステップＳ３で生成された最大振幅マップと、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する閾値ａとに基づいて、振動パターンの実測マップを生成する。次いでステップＳ５で、ステップＳ４で生成された実測マップから、記憶部５０Ｂに記憶された着座ノイズによる振動パターンの第３マップを減算し、ノイズ除去後の実測マップを生成する。

次いでステップＳ６で、ステップＳ５で生成されたノイズ除去後の実測マップに、記憶部５０Ｂに記憶されたノッキングの振動パターンの第１マップを乗算する。次いでステップＳ７で、ステップＳ６で算出されたマップ値の積Ｍ０Ｍ１（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ０Ｍ１を算出するとともに、記憶部５０Ｂに記憶された第１マップのマップ値Ｍ１（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ１を算出する。次いでステップＳ８で、ステップＳ７で算出された積算値ΣＭ０Ｍ１，ΣＭ１に基づいて、実測マップとノッキングの振動パターンの第１マップとの第１適合率ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１を算出する。次いでステップＳ９で、ステップＳ８で算出された第１適合率ΣＭ０Ｍ１／ΣＭ１が、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する第１閾値Ｔｈ１を超えるか否かを判定する。

ステップＳ９で肯定されると、ステップＳ１０に進み、ノッキングが発生したと判定し、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する基準点火時期θ０を第１所定量θ１だけ遅角（θ０→θ０＋θ１）するように点火プラグ８に制御信号を出力し、処理を終了する。

一方、ステップＳ９で否定されると、ノッキングが発生していないと判定し、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、ステップＳ５で生成されたノイズ除去後の実測マップに、記憶部５０Ｂに記憶された燃焼騒音の振動パターンの第２マップを乗算する。次いでステップＳ１３で、ステップＳ１２で算出されたマップ値の積Ｍ０Ｍ２（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ０Ｍ２を算出するとともに、記憶部５０Ｂに記憶された第２マップのマップ値Ｍ２（ｉ，ｊ）を積算して積算値ΣＭ２を算出する。次いでステップＳ１４で、ステップＳ１３で算出された積算値ΣＭ０Ｍ２，ΣＭ２に基づいて、実測マップと燃焼騒音の振動パターンの第２マップとの第２適合率ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２を算出する。次いでステップＳ１５で、ステップＳ１４で算出された第２適合率ΣＭ０Ｍ２／ΣＭ２が、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する第２閾値Ｔｈ２を超えるか否かを判定する。

ステップＳ１５で否定されると、燃焼音が基準以下であると判定してステップＳ１６に進み、ノッキングも燃焼騒音も発生していないと判定し、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する基準点火時期θ０（最適点火時期ＭＢＴ）まで必要に応じて進角するように点火プラグ８に制御信号を出力し、処理を終了する。

一方、ステップＳ１５で肯定されると、燃焼音が基準より大きいと判定してステップＳ１８に進み、燃焼音が基準より大きいと判定した回数Ｃ２をカウントアップし（Ｃ２（今回値）＝Ｃ２（前回値）＋１）、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、燃焼音が基準より大きいと判定した回数Ｃ２が、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する所定回数ｃ２を超えるか否かを判定する。

ステップＳ１９で肯定されると、ステップＳ２０に進み、燃焼騒音のみが発生していると判定し、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、ステップＳ２で特定された運転条件に対応する基準点火時期θ０を第２所定量θ２だけ遅角（θ０→θ０＋θ２）するように点火プラグ８に制御信号を出力し、処理を終了する。一方、ステップＳ１９で否定されると、点火時期の遅角も進角も行うことなく処理を終了する。

エンジン１の燃焼サイクル毎に実際に観測された振動パターンを互いに異なるノッキング、燃焼騒音および着座ノイズの振動パターンと比較することで、ノッキングの発生と燃焼騒音の発生とを個別に検知することができる（Ｓ３～Ｓ９，Ｓ１２～Ｓ１５）。また、エンジン部品の損傷につながるノッキングの発生を優先的に検知することで、ノッキングが発生した場合でも直ちに解消することができる（Ｓ９～Ｓ１１）。また、燃焼音が基準より大きい状態が継続したときに限って燃焼騒音の発生を検知するため、点火時期の過剰な遅角を抑制し、エンジン出力や燃費の低下を最小限に抑えることができる（Ｓ１５～Ｓ２１）。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）装置１００は、シリンダ２内を往復動するピストン３に面した主燃焼室４１と、噴孔４７を介して主燃焼室４１に連通する副燃焼室４２と、副燃焼室４２の内部の混合気を点火する点火プラグ８とを有するエンジン１を制御する（図１、図２）。

装置１００は、エンジン１の振動を検出するノックセンサ９と、ノッキングが発生しているときのエンジン１の振動パターンを示す第１マップと燃焼騒音が発生しているときのエンジン１の振動パターンを示す第２マップとを記憶する記憶部５０Ｂと、エンジン１の燃焼サイクル毎にノックセンサ９により検出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の最大振幅Ａ（ｉ，ｊ）を算出する振幅算出部５４と、振幅算出部５４により算出された最大振幅に基づいて燃焼サイクル毎のエンジン１の振動パターンを示す実測マップを生成するマップ生成部５５と、マップ生成部５５により生成された実測マップと記憶部５０Ｂに記憶された第１マップとを比較することでノッキングが発生したか否かを判定する第１判定部５６と、マップ生成部５５により生成された実測マップと記憶部５０Ｂに記憶された第２マップとを比較することで燃焼騒音が発生したか否かを判定する第２判定部５７と、エンジン１の運転条件と第１判定部５６および第２判定部５７による判定結果とに基づいて点火プラグ８の動作を制御する点火制御部５８と、を備える（図３、図４）。

このように、エンジン１の燃焼サイクル毎に実際に観測された振動パターンを、互いに異なるノッキングの振動パターンおよび燃焼騒音の振動パターンのそれぞれと比較することで、ノッキングの発生と燃焼騒音の発生とをそれぞれ精度よく検知することができる。

（２）第２判定部５７は、第１判定部５６によりノッキングが発生していないと判定されることを条件として燃焼騒音が発生したか否かを判定する。これにより、エンジン部品の損傷につながるノッキングの発生を優先的に検知することができる。また、燃焼騒音の発生を精度よく検知することができる。

（３）点火制御部５８は、第１判定部５６によりノッキングが発生したと判定されると第１所定量θ１だけ点火時期を遅角するように点火プラグ８の動作を制御し、第２判定部５７により燃焼騒音が発生したと判定されると第１所定量θ１より小さい第２所定量θ２だけ点火時期を遅角するように点火プラグ８の動作を制御する。

すなわち、ノッキングが発生している場合は、十分な遅角量（第１所定量）θ１を確保することでノッキングを確実に解消し、燃焼騒音が発生している場合は、ある程度の遅角量（第２所定量θ２）で燃焼音を軽減する。点火時期を、エンジン１の運転条件に応じて予め定められた最適な基準点火時期θ０よりも遅角すると、エンジン出力や燃費が低下する。ノッキングの発生と燃焼騒音の発生とをそれぞれ検知し、発生事象に応じた適切な遅角を行うことで、点火時期の遅角によるエンジン出力や燃費の低下を最小限に抑えることができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。

１ エンジン、２ シリンダ、３ ピストン、８ 点火プラグ、９ ノックセンサ、４１ 主燃焼室、４２ 副燃焼室、４７ 噴孔、５０ コントローラ、５０Ａ 演算部、５０Ｂ 記憶部、５１ クランク角センサ、５２ 吸気量センサ、５３ ＢＰＦ、５４ 振幅算出部、５５ マップ生成部、５６ 第１判定部、５７ 第２判定部、５８ 点火制御部、１００ 制御装置（装置）

Claims (3)

1. 気筒内を往復動するピストンに面した主燃焼室と、噴孔を介して前記主燃焼室に連通する副燃焼室と、前記副燃焼室の内部の混合気を点火する点火部と、を有する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の振動を検出する振動検出部と、
   ノッキングが発生しているときの前記内燃機関の振動パターンを示す第１マップと、燃焼騒音が発生しているときの前記内燃機関の振動パターンを示す第２マップと、を記憶する記憶部と、
   前記内燃機関の燃焼サイクル毎に前記振動検出部により検出された振動データに対して短時間フーリエ変換を行い、所定クランク角毎および所定周波数帯毎の最大振幅を算出する振幅算出部と、
   前記振幅算出部により算出された最大振幅に基づいて前記燃焼サイクル毎の前記内燃機関の振動パターンを示す実測マップを生成するマップ生成部と、
   前記マップ生成部により生成された実測マップと前記記憶部に記憶された第１マップとを比較することでノッキングが発生したか否かを判定する第１判定部と、
   前記マップ生成部により生成された実測マップと前記記憶部に記憶された第２マップとを比較することで燃焼騒音が発生したか否かを判定する第２判定部と、
   前記内燃機関の運転条件と、前記第１判定部および前記第２判定部による判定結果と、に基づいて、前記点火部の動作を制御する点火制御部と、を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記第２判定部は、前記第１判定部によりノッキングが発生していないと判定されることを条件として燃焼騒音が発生したか否かを判定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記点火制御部は、前記第１判定部によりノッキングが発生したと判定されると第１所定量だけ点火時期を遅角するように前記点火部の動作を制御し、前記第２判定部により燃焼騒音が発生したと判定されると前記第１所定量より小さい第２所定量だけ前記点火時期を遅角するように前記点火部の動作を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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