JP2744687B2 - 内燃機関用ノック検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車用ガソリンエンジン等の内燃機関
のノックを検出する装置に関し、特に信号処理精度を向
上させて信頼性を改善した内燃機関用ノック検出装置に
関するものである。

［従来の技術］ 一般に、自動車用ガソリンエンジン等の内燃機関は複
数の気筒により駆動されており、各気筒において圧縮さ
れた混合気を最適な点火位置で燃焼させる必要がある。
このため、内燃機関制御用にマイクロコンピュータ（EC
U）を用い、各気筒毎のイグナイタによる点火時期及び
インジェクタによる燃料噴射順序等を最適に制御してい
る。

しかし、点火位置が進角側に制御され過ぎると、異常
燃焼によりノッキングと呼ばれる振動が発生し、気筒を
損傷するおそれがあるため、異常振動を検出したときに
は、気筒の制御パラメータをノック抑制側（例えば、点
火位置を遅角側）に制御する必要がある。

第４図は従来の内燃機関用ノック検出装置を示すブロ
ック図である。

図において、（１）は内燃機関駆動用の気筒の１つ又
は各々に取り付けられたノックセンサであり、振動検出
用の圧電素子等からなっている。

（２）はノックセンサ（１）の出力信号Ａを受信する
ノック検出回路（インタフェース回路）であり、ノッキ
ング特有の周波数（例えば、7kHz）を通過させるフィル
タ（21）と、フィルタ（21）の出力信号を所定のタイミ
ングで周期的に通過させるゲート（22）と、ゲート（2
2）の出力信号Ａ′を平均化した信号に基づいてバック
グランドレベルBGLを生成するBGL発生器（23）と、ゲー
ト（22）の出力信号Ａ′とバックグランドレベルBGLと
を比較して出力信号Ａ′がバックグランドレベルBGLを
越えたときに出力信号をオンにする比較器（24）と、比
較器（24）の出力信号を積分する積分器（25）とを備え
ている。（３）は積分器（25）の出力信号をデジタル信
号V_Rに変換するAD変換器である。

（４）はAD変換器（３）の出力信号V_Rに基づいて各気
筒の点火位置を遅角制御すると共に、ゲート（22）に対
するマスク信号Ｍ及び積分器（25）に対するリセット信
号Ｒを出力するマイクロコンピュータ（以下、ECUとい
う）であり、AD変換器（３）の出力信号V_Rに基づいて気
筒点火位置を遅角させるための遅角制御角θ_Ｒを生成す
る遅角反映処理部（45）を備えている。

次に、第５図の波形図を参照しながら、第４図に示し
た従来の内燃機関用ノック検出装置の動作について説明
する。

通常、各気筒はTDC（上死点＝０゜）から５゜程度手
前の位置（B5゜）より進角側で点火され、混合気の爆発
は、TDCから10゜〜60゜程度過ぎたクランク角度位置（A
10゜〜A60゜）付近で起こるので、異常燃焼によるノッ
クも、この爆発タイミングで発生する。

従って、気筒の振動ノイズ（特にノック）が発生した
場合、ノックセンサ（１）の出力信号Ａは第５図のよう
に周期的で且つ振幅の大きい波形となる。

ECU（４）は、ノック検出回路（２）が出力信号Ａを
効率的に受信するように、ゲート（22）に対して所定周
期毎に反転するマスク信号Ｍを出力する。このマスク信
号Ｍは、例えば検出対象となる気筒に対して、立ち上が
りがB75゜程度、立ち下がりがB5゜程度に設定され、レ
ベルが「Ｈ」のときにゲート（22）を禁止する。又、積
分器（25）に対して所定周期毎にリセット信号Ｒを出力
するが、このリセット信号Ｒの出力タイミングは、マス
ク信号Ｍの立ち上がりと一致する。

ノック検出回路（２）内のフィルタ（21）は、ノック
発生時の周波数成分を通過させ、ゲート（22）は、マス
ク信号Ｍが「Ｌ」レベルの期間だけ出力信号Ａを通過さ
せる。BGL発生器（23）は、ゲート（22）の出力信号
Ａ′に基づいて、出力信号Ａ′に含まれるバックグラン
ドを判別し、ノック検出の基準となるバックグランドレ
ベルBGLを生成する。

比較器（24）は、出力信号Ａ′がバックグランドレベ
ルBGLを越えたときに、ノック発生レベルであることを
判別して、出力信号を「Ｈ」レベルとする。積分器（2
5）は、リセット信号Ｒでリセットされる毎に比較器（2
4）の出力信号を積分し、AD変換器（３）は、積分器（2
5）の出力信号をデジタルの積分値V_Rに変換してECU
（４）に入力する。

ECU（４）は、AD変換された積分値V_Rを気筒の点火毎
に取り込み、これに基づいて遅角制御角θ_Ｒを生成し、
ノック抑制する方向に点火位置を遅角補正する。このと
き、遅角反映処理部（45）は、前回の遅角制御角θ_Ｒ ^＊
に今回の遅角量Δθ_Ｒを累積加算して、今回の遅角制御
角θ_Ｒを生成する。従って、今回の遅角制御角θ_Ｒは、 θ_Ｒ＝θ_Ｒ ^＊＋Δθ_Ｒ … で表わされる。又、式において、今回の遅角量Δθ_Ｒ
は、 Δθ_Ｒ＝V_R×Ｗ 但し、W:反映率 で表わされる。

ところで、ノックセンサ（１）の出力信号Ａのレベル
が高いほど、インタフェース回路（２）及びAD変換器
（３）の信号処理精度も高くなり、ECU（４）における
ノック検出精度及び信頼性も向上するが、出力信号Ａの
レベルは、ノックの有無のみならず運転状態によっても
変動する。

第６図は例えばエンジンの回転数Neと出力信号Ａとの
関係を示す特性図であり、回転数Neが減少するにつれて
出力信号Ａのレベルも減少する。従って、回転数Neが低
いときには出力信号Ａのレベルも小さくなり、インタフ
ェース回路（２）の特性ずれやAD変換器（３）によって
生じる誤差が大きく影響し、ノック検出精度及び信頼性
が低下してしまうおそれがある。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の内燃機関用ノック検出装置は以上のように、出
力信号Ａのレベル変動に対して何ら対策をとっていない
ので、ノック検出精度及び信頼性が低下するという問題
点があった。

又、例えば特開昭58−66026号公報に参照されるよう
に、ノックセンサの出力信号に応じて増幅度を調整し、
機関の回転数とは無関係に出力信号を一定にするノック
検出装置も提案されているが、増幅ゲインを連続的に制
御しているので、制御遅れが生じ、過度運転時に制御が
追従しきれず、適正なゲインを得ることができないとい
う問題点があった。

更に、上記公報においては、調整器により復調回路の
出力信号レベルの平均値が所定値となるように増幅器の
ゲインを可変しているので、瞬時のゲインが一定とな
り、そのときの入力信号に対する増幅特性が線形となっ
てしまい、瞬時に増幅できる信号レベル範囲（ダイナミ
ックレンジ）を大きく設定することができないという問
題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、増幅ゲインを非線形に設定すると共に制御
遅れを生じることなく増幅ゲインを切替えることによ
り、瞬時に増幅できる信号レベル範囲（ダイナミックレ
ンジ）を大きく設定すると共に、ノックセンサの出力信
号レベルが小さいときでもノック検出精度及び信頼性を
向上させた内燃機関用ノック検出装置を得ることを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る内燃機関用ノック検出装置は、ノック
センサの出力信号を予め設定された複数の増幅ゲインで
増幅する増幅器と、ノックセンサの出力信号のレベルに
応じて増幅ゲインを切替える増幅特性切替手段とを設け
たものである。

この発明の別の発明に係る内燃機関用ノック検出装置
は、AD変換器の出力側に、増幅ゲインの切替変化を相殺
するように振動レベルを逆変換するための逆変換処理部
を更に設けたものである。

［作用］ この発明においては、ノックセンサの出力信号のレベ
ルが低いときには増幅ゲインを大きく、ノックセンサの
出力信号のレベルが高いときには増幅ゲインを小さく設
定する。

この発明の別の発明においては、増幅ゲインが大きく
設定されたときには振動レベルを減衰させ、増幅ゲイン
が小さく設定されたときには振動レベルを増大させるこ
とにより、瞬時に増幅できる信号レベル範囲（ダイナミ
ックレンジ）を大きく設定すると共に、AD変換器での信
号処理精度を損なうことなく、振動レベルをノックセン
サの出力信号に比例した値に補正する。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
１図はこの発明の一実施例を示す構成図であり、（40）
はECU（４）に対応しており、（１）及び（３）は前述
と同様のものである。

（20）はノックセンサ（１）とAD変換器（３）との間
に挿入されたインタフェース回路であり、出力信号Ａの
ピークレベルを振動レベルVpとして出力するピークホー
ルド回路（26）と、出力信号Ａを増幅する増幅器（27）
と、増幅器（27）の入力側に接続されて出力信号Ａの増
幅ゲインを決定するゲイン調整器（28）とを備えてい
る。

ピークホールド回路（26）において、Tr₁は増幅後の
出力信号Ａがベースに印加されるトランジスタ、C₁はト
ランジスタTr₁のエミッタとグランドとの間に挿入され
て出力信号Ａのピークレベルを保持するためのコンデン
サである。又、Tr₂はコンデンサC₁の電荷をリセットす
るトランジスタであり、コレクタがコンデンサC₁の充電
側に接続され、ECU（40）からのリセット信号Ｒ′がベ
ースに印加されている。

増幅器（27）において、Tr₃及びTr₄は増幅トランジス
タ、R₃は増幅トランジスタTr₃のベース側に挿入された
入力抵抗器、R₄は増幅トランジスタTr₃及びTr₄の帰還抵
抗器、R₅は帰還抵抗器R₄に並列に設けられた調整抵抗
器、Tr₅は調整抵抗器R₅を帰還抵抗器R₄に選択的に並列
接続するトランジスタ、R₆及びR₇はトランジスタTr₅の
ベースに対するバイアス電圧V_Bを設定する分圧抵抗器で
ある。調整抵抗器R₅、トランジスタTr₃、分圧抵抗器R₆
及びR₇は、出力信号Ａのレベルに応じて増幅器（27）の
増幅ゲインを切替えるための増幅特性切替手段を構成し
ている。又、ここでは、増幅器（27）は半波増幅器であ
る。

ゲイン調整器（28）において、R₀はノックセンサ
（１）に並列接続されたマッチング抵抗器、R₁及びR₂は
出力信号Ａを任意の比率で分圧する分圧抵抗器である。

ECU（40）は、増幅器（27）での増幅ゲイン切替変化
を相殺するように振動レベルVpを逆変換するための逆変
換処理部（41）と、逆変換後の振動レベルVp′を平均化
処理してバックグランドレベルに相当するスレッショル
ドV_THを生成する演算部（42）と、逆変換後の振動レベ
ルVp′がスレッショルドV_THを越えたときにノック判別
信号Vkを出力する比較部（43）と、ノック判別信号Vkに
基づいて気筒の点火位置を遅角させるための遅角制御角
θ_Ｒを生成する遅角反映処理部（図示せず）と、各気筒
の回転位置に対応したクランク角に基づいてピークホー
ルド回路（26）に対するリセット信号Ｒ′を出力するリ
セット信号制御部（図示せず）とを備えている。

尚、リセット信号Ｒ′（前述のマスク信号Ｍに相当す
る）は、内燃機関の回転に同期して生成され、各気筒に
対する基準位置（クランク角）B75゜で立ち上がり、他
の基準位置（点火時期の後に相当するクランク角）B5゜
で立ち下がるパルスからなっている。従って、ピークホ
ールド回路（26）は、気筒毎の基準位置B5゜から有効と
なり、次の基準位置B75゜におけるピークレベルを生成
し、これをAD変換器（３）を介して、振動レベルVpとし
てECU（40）に入力するようになっている。

第２図は増幅器（27）の増幅特性を示す特性図であ
り、Ao及びVpoは増幅ゲインＧがG₁からG₂（G₁＞G₁）に
切替わるときの出力信号Ａ及び振動レベルVpの各値であ
る。又、第３図は逆変換処理部（41）の逆変換特性を示
す特性図であり、Vpo′は増幅ゲイン切替時の振動レベ
ルVpoに対応した逆変換後の振動レベルVp′の値であ
る。

次に、第２図及び第３図を参照しながら、第１図に示
したこの発明の一実施例の動作について説明する。

前述のように、ノックセンサ（１）の出力信号Ａは、
インタフェース回路（２）及びAD変換器（３）を介して
ECU（40）に入力され、出力信号Ａのレベルに基づいて
ノックの有無が判定される。

このとき、ゲイン調整器（28）は、分圧抵抗器R₁及び
R₂の抵抗値を設定することにより、機種の違い等による
出力信号Ａのレベル変動を予め相殺しておく。

又、増幅器（27）において、出力信号Ａ及び振動レベ
ルVpに対応した増幅電圧V_Gがバイアス電圧V_B以下、即
ち、 V_G≦V_B の場合には、トランジスタTr₅がオフされるので、帰還
抵抗器R₄のみが有効となる。従って、増幅器（27）のゲ
インＧは、入力抵抗器R₃及び帰還抵抗器R₄の抵抗値をそ
れぞれR₃及びR₄とすれば、 Ｇ＝R₄/R₃＝G₁ となり、大きい値となる。一方、増幅電圧V_Gがバイアス
電圧V_Bより高く、 V_G＞V_B の場合には、トランジスタTr₅がオンするので、帰還抵
抗器R₄及び調整抵抗器R₅が有効となる。従って、増幅器
（27）のゲインＧは、各抵抗器R₄及びR₅の並列抵抗値を
R₄₅とすれば、 Ｇ＝R₄₅/R₃＝G₂ となり、G₁より小さい値となる。こうして、ノックセン
サ（１）の出力信号Ａのレベルが低いときには増幅ゲイ
ンＧが大きい値G₁に設定され、逆に、出力信号Ａのレベ
ルが高いときには増幅ゲインＧが小さい値G₂設定され
る。このとき、増幅ゲインG₁、G₂は、増幅器27内で予め
設定された値であるため、切替時に制御遅れが生じるこ
とはなく、直ちに適正なゲインに設定されることができ
る。

又、瞬時においても、ノックセンサ（１）の出力レベ
ルに応じて、増幅ゲインG₁、G₂が非線形に設定されるの
で、瞬時に増幅できる信号レベル範囲（ダイナミックレ
ンジ）を大きく設定することができる。

この結果、振動レベルVpは、ノックセンサ出力信号Ａ
に対して第２図のように変化し、 V_G≦V_B のときは、出力信号ＡのレベルをＡとすれば、 Vp＝（R₄/R₃）Ａ となり、 V_G＞V_B のときは、 Vp＝（R₄₅/R₃）Ａ＋（１−R₄₅/R₄）V_B となる。このように非線形に増幅された出力信号Ａに基
づく振動レベルVpは、気筒の点火毎にAD変換されてECU
（40）に入力される。

ECU（40）内の逆変換処理部（41）は、振動レベルVp
を出力信号Ａに対して線形にするため、第３図のように
振動レベルVpを逆変換する。即ち、増幅ゲインＧが大き
い値G₁に設定されたときには振動レベルVpを減衰させ、
増幅ゲインＧが小さい値G₂に設定されたときには振動レ
ベルVpを増大させ、実際の出力信号Ａに比例した振動レ
ベルVp′に補正する。

これにより、逆変換後の振動レベルVp′は、 V_G≦V_B、即ち、Ｇ＝R₄/R₃＝G₁ のときは、 Vp′＝（R₃/R₄）Vp となり、 V_G＞V_B、即ち、Ｇ＝R₄₅/R₃＝G₂ のときは、 Vp′＝（R₃/R₄₅）（Vp−V_B）＋（R₃/R₄）V_B となる。従って、逆変換後の振動レベルVp′は、出力信
号Ａのレベルに比例した値となり、以下のように、演算
部（42）及び比較部（43）により、精度及び信頼性の高
いノック判定処理が行われる。

演算部（42）は、逆変換後の振動レベルVp′に含まれ
る種々の変動成分に対し、ある程度追従するスレッショ
ルドV_THを算出する。即ち、振動レベルVp′を平均化処
理した後、増幅し且つオフセットを加算し、最終的にノ
ックの判別に用いられるスレッショルドV_THとする。

比較部（43）は、振動レベルVp′とスレッショルドV
_THとを比較し、振動レベルVp′がスレッショルドV_THを
越えたとき、ノッキングの発生を示すノック判別信号Vk
を出力する。このノック判別信号Vkに応じて、ECU（4
0）内の遅角反映処理部は、ノック抑制に必要な遅角量
Δθ_Ｒを演算し、前述の式に基づいて遅角制御角θ_Ｒ
を生成し、制御対象となる気筒の点火位置を遅角（ノッ
ク抑制）側に補正する。

このとき、出力信号Ａのレベルが小さい場合でも、AD
変換器（３）でデジタル変換されるまでは、大レベルに
変換された信号として処理されるので、信号処理精度が
向上する。

尚、上記実施例では、振動レベルVpを生成するための
インタフェース回路（20）をピークホールド回路（26）
で構成したが、積分器で構成しても同等の効果を奏す
る。

又、点火時期を遅角制御する場合を示したが、他の制
御パラメータをノック抑制側に遅角制御するようにして
もよい。

更に、ECU（40）内に逆変換処理部（41）を設けた
が、演算部（42）における処理時間の延長を無視するこ
とができれば、逆変換処理部（41）を省略して演算部
（42）内に同等の逆変換機能を設けてもよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、ノックセンサの出力
信号を予め設定された複数の増幅ゲインで増幅する増幅
器と、ノックセンサの出力信号のレベルに応じて増幅ゲ
インを切替える増幅特性切替手段とを設け、制御遅れを
生じることなく、出力信号レベルが低いときには増幅ゲ
インを大きく、出力信号レベルが高いときには増幅ゲイ
ンを小さく設定するようにしたので、瞬時に増幅できる
信号レベル範囲（ダイナミックレンジ）を大きく設定す
ると共に、出力信号のレベルによらず精度及び信頼性を
向上させた内燃機関用ノック検出装置が得られる効果が
ある。

又、この発明の別の発明によれば、AD変換器の出力側
に、増幅ゲインの切替変化を相殺するように振動レベル
を逆変換するための逆変換処理部を更に設け、増幅ゲイ
ンが大きく設定されたときには振動レベルを減衰させ、
増幅ゲインが小さく設定されたときには振動レベルを増
大させることにより、振動レベルをノックセンサの出力
信号に比例した値に補正するようにしたので、ECU内の
演算処理負担を増大させることなく、又、AD変換器での
信号処理精度を損なうことなく、出力信号のレベルによ
らず精度及び信頼性を向上させた内燃機関用ノック検出
装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図内の増幅器の増幅特性を示す特性図、第３図は第１
図内の逆変換処理部の逆変換特性を示す特性図、第４図
は従来の内燃機関用ノック検出装置を示すブロック図、
第５図は第４図に示した従来装置の動作を示す波形図、
第６図は運転状態の違いよるノックセンサの出力信号の
変動を示す特性図である。 （１）……ノックセンサ （３）……AD変換器 （20）……インタフェース回路 （27）……増幅器 （41）……逆変換処理部 R₅……調整抵抗器、R₆、R₇……分圧抵抗器 Tr₅……トランジスタ Ａ……ノックセンサの出力信号 Vp……振動レベル Vp′……逆変換後の振動レベル V_TH……スレッショルド、Vk……ノック判別信号 尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 敦 兵庫県姫路市千代田町840番地 三菱電 機株式会社姫路製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−90019（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の振動を検出するノックセンサ
   と、 このノックセンサの出力信号に基づく振動レベルを生成
   するインタフェース回路と、 前記振動レベルをAD変換するAD変換器と、 前記AD変換器を介した振動レベルに基づいてノック判別
   用のスレッショルドを生成する演算手段と、 前記振動レベルが前記スレッショルドを越えたときにノ
   ック判別信号を出力する比較手段とを備えた内燃機関用
   ノック検出装置において、 前記インタフェース回路は、 前記ノックセンサの出力信号を予め設定された複数の増
   幅ゲインで増幅する増幅器と、 前記ノックセンサの出力信号のレベルに応じて前記増幅
   ゲインを切替える増幅特性切替手段とを含み、 前記ノックセンサの出力信号のレベルが低いときには前
   記増幅ゲインを大きく、前記ノックセンサの出力信号の
   レベルが高いときには前記増幅ゲインを小さく設定する
   ようにしたことを特徴とする内燃機関用ノック検出装
   置。
2. 【請求項２】前記AD変換器の出力側に、前記増幅ゲイン
   の切替変化を相殺するように振動レベルを逆変換するた
   めの逆変換処理部を更に設け、 逆変換後の振動レベルをノックセンサの出力信号に比例
   した値に補正することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の内燃機関用ノック検出装置。