JP2948827B2

JP2948827B2 - エンジンのノック検出装置

Info

Publication number: JP2948827B2
Application number: JP9568889A
Authority: JP
Inventors: 崇松浦
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1999-09-13
Anticipated expiration: 2014-09-13
Also published as: JPH02272327A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、ノックセンサの出力波形を直接デジタルデ
ータに変換し、ノッキングを検出するエンジンのノック
検出装置に関する。

［従来の技術］最近では、エンジンの異常燃焼による初期ノックをノ
ックセンサにより検出し、点火時期を制御してノック発
生を回避する技術が広く採用されている。これにより、
ノック限界での点火時期制御が可能となり、エンジンの
出力性能を大きく向上させることができるようになっ
た。

上記ノックセンサは、混合気の異常燃焼による異常燃
焼圧力振動あるいはシリンダブロックなどに伝達する機
械的振動を検出し、その振動波形を電気信号として出力
する。

上記ノックセンサによるノック発生の判定は、例え
ば、特開昭58−30477号公報、特開昭61−8472号公報に
開示されているように、上記ノックセンサからの信号を
フィルタ回路を通して帯域制限することによりノック成
分を選択してピークホールド回路により波形のピーク値
を保持し、このピーク値をアナログ／デジタル変換す
る。そして、アナログ／デジタル変換されたピーク値を
マイクロコンピュータなどによって演算した所定のレベ
ルと比較して、ノック発生の有無を判定する。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、一般に、上記先行例における上記フィ
ルタ回路、ピークホールド回路などのアナログ回路にお
いては、使用される抵抗、コンデンサなどの回路素子に
それぞれ許容誤差があり、回路定数による誤差が避けら
れない。この回路定数を正確に設定するには、個々に調
整するなど多大な工数を要し、さらには、上記アナログ
回路に使用される回路素子の部品点数の多さともあいま
ってコスト上昇の原因となっていた。

また、上記回路素子は経年変化により劣化し、回路特
性に変化を生じさせる。従って、ノックセンサからの信
号をアナログ回路により波形処理する際に、経年変化に
より信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ノック
センサから出力される振動波形をアナログ回路に依存す
ることなく処理し、しかも構成部品の削減を図ることが
できて安価に構成することができるエンジンのノック検
出装置を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明は、ノックセンサか
ら出力される振動波形のうち、ノック判定レベル検出区
間における上記振動波形からノック判定の比較レベルで
あるノック判定レベルを算出し、ノック検出区間におけ
る上記振動波形からノック発生を検出するためのノック
レベルを算出し、上記ノック判定レベルと上記ノックレ
ベルとを比較することでノック検出を行うエンジンのノ
ック検出装置において、上記ノックセンサから出力され
る上記振動波形を、該振動波形が再現可能なサンプリン
グ周期で直接デジタルデータに変換するアナログ／デジ
タル変換手段と、上記ノック判定レベル検出区間におけ
る上記アナログ／デジタル変換手段の出力値のデジタル
データと基準値との偏差の絶対値の平均値に対する母平
均を推定し、この母平均にオフセット値を加算してノッ
ク判定レベルを算出するノック判定レベル算出手段と、
上記ノック検出レベル区間における上記アナログ／デジ
タル変換手段の出力値のデジタルデータと基準値との偏
差の絶対値の平均値をノックレベルとするノックレベル
算出手段と、上記ノック判定レベルと上記ノックレベル
とを比較してノック発生の有無を判定するノック判定手
段とを備えたことを特徴とする。

［作用］本発明では、ノックセンサから出力される振動波形
が、この振動波形を再現可能なサンプリング周期でアナ
ログ／デジタル変換手段により、直接デジタルデータに
変換される。そして、ノック検出レベル区間におけるア
ナログ／デジタル変換手段の出力値のデジタルデータと
基準値との偏差の絶対値の平均値をノックレベルとして
算出する。また、ノック判定レベル検出区間におけるア
ナログ／デジタル変換手段の出力値のデジタルデータと
基準値との偏差の絶対値の平均値に対する母平均を推定
し、この母平均にオフセット値を加算してノック判定レ
ベルを算出する。そして、ノックレベルとノック判定レ
ベルとを比較し、ノック発生の有無を判定する。

［発明の実施例］以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はノック検出
装置の機能ブロック図、第２図は回路構成図、第３図は
ノック検出手順を示すフローチャート、第４図はノック
検出処理のタイミングチャートである。

（構成）第２図の符号１はマイクロコンピュータからなるメイ
ン制御ユニットであり、各種センサ類、例えば波形整形
回路2aを介してクランク位置センサ２などが接続され、
さらに、点火回路３などのアクチュエータ駆動回路が接
続されている。また、上記メイン制御ユニット１には、
ノック検出ユニット４が接続されており、このノック検
出ユニット４には、それぞれ上記波形整形回路2a、増幅
器５を介して、上記クランク位置センサ２、ノックセン
サ６が接続されている。

上記ノック検出ユニット４は、CPU7、ROM8、RAM9、シ
リアルインターフェイス（SCI）10、アナログ／デジタ
ル（A/D）変換器11、タイマTM1,TM2,TM3,TM4,及び、入
出力（I/O）インターフェイス12がバスライン13を介し
て互いに接続されて構成されている。

上記クランク位置センサ２は、上記波形整形回路2aを
介して上記I/Oインターフェイス12の入力ポートに接続
され、また、上記ノックセンサ６は、上記増幅器５を介
して上記A/D変換器11に接続されている。

上記クランク位置センサ２は、エンジンのクランク軸
に連動したロータ2bの突起（あるいはスリット）を検出
する電磁ピックアップなどからなり、上記ロータ2bに設
けられた突起が上記クランク位置センサ２に接近離間す
ると、磁束変化による交流出力が発生し、上記波形整形
回路2aによってパルスに変換される。

例えば６気筒エンジンの場合、120゜CA毎に存在する
各気筒の圧縮上死点（TDC）に対し、上死点前（BTDC）1
0゜から30゜CA毎に上記クランク位置センサ２からクラ
ンク角信号が出力される。すなわち、BTDC10゜、BTDC40
゜、BTDC70゜、BTDC100゜のクランク角信号が上記メイ
ン制御ユニット１に入力されて点火時期などが演算さ
れ、これらの30゜CA信号を基準として所定の点火時期に
達すると点火信号が上記点火回路３に出力される。

尚、上記BTDC10゜の信号はエンジン始動時の固定点火
角信号である。

さらに、上記クランク位置センサ２から上記ノック検
出ユニット４に、例えばBTDC70゜及びBTDC10゜の信号が
60゜CA間隔で入力され、割込み処理が起動される。

また、上記ノックセンサ６は、電源ＶCCから抵抗Ｒを
介して接続され、例えばノック振動とほぼ同じ固有周波
数を持つ振動子とこの振動子の振動加速度を検知して電
気信号に変換する圧電素子とから構成される共振形のノ
ックセンサで、エンジンの爆発行程における燃焼圧力波
によりシリンダブロックなどに伝わる振動を検出し、そ
の振動波形を電気信号として出力する。

この電気信号は上記増幅器５により所定のレベルに増
幅された後、上記ノック検出ユニット４のA/D変換器11
でデジタルデータにA/D変換される。このA/D変換に際し
ては、振動波形を忠実に変換するため高速にサンプリン
グが行われる。

上記CPU7は、上記クランク位置センサ２からの信号に
より上記タイマTM1,TM2,TM3,TM4による内部割込み処理
を起動し、上記ROM8に格納されたノック検出処理のプロ
グラムに従い、所定の区間で上記ノックセンサ６からの
信号を上記A/D変換器11で高速A/D変換する。そして、ノ
ック発生の有無を判定し、判定結果を上記メイン制御ユ
ニット１に上記SCI10などを介して送信する。

上記メイン制御ユニット１では、上記ノック検出ユニ
ット４からノッキング発生と送信された場合、直ちに該
当気筒の点火時期を遅らせノッキングを回避する。

（機能構成）上記ノック検出ユニット４は、A/D変換手段20、サン
プリング周期設定手段21、検出区間設定手段22、ノック
レベル算出手段23、ノック判定レベル算出手段24、ノッ
ク判定手段25から構成され、ノック検出処理専用の機能
を高速に実行する。

A/D変換手段20では、検出区間設定手段22によって設
定された区間において、サンプリング周期設定手段21に
よって設定されたサンプリング周期で、ノックセンサ６
からの信号をA/D変換器11にてデジタルデータに変換
し、ノックレベル算出手段23及びノック判定レベル算出
手段24へ出力する。

サンプリング周期設定手段21では、検出区間設定手段
22によって設定された区間において、上記A/D変換手段2
0におけるA/D変換のサンプリング周期を設定し、上記A/
D変換手段20、ノックレベル算出手段23、ノック判定レ
ベル算出手段24へ出力する。このサンプリング周期は、
上記ノックセンサ６からの振動波形を忠実に再現できる
時間周期Ts、例えばTs＝30μｓの周期でタイマTM4にセ
ットされる。

検出区間設定手段22では、クランク位置センサ２から
の信号に基づき、ノッキング発生対象外期間とノッキン
グ発生対象期間とでそれぞれノック判定レベル検出区間
とノック検出区間とを設定し、上記A/D変換手段20、サ
ンプリング周期設定手段21、ノックレベル算出手段23、
及び、ノック判定レベル算出手段24に出力する。

上記ノック判定レベル検出区間及びノック検出区間
は、上記クランク位置センサ２からの信号に対して、例
えば予め設定されたマップなどからエンジン回転数ＮE
に応じて直接、あるいは補間計算により設定され、タイ
マTM1,TM2に、それぞれ、ノック判定レベル検出区間の
開始時刻T1S、ノック検出区間の開始時刻T2Sがセットさ
れ、タイマTM3にそれぞれの終了時刻T1E,T2Eがセットさ
れる。

ノックレベル算出手段23では、上記検出区間設定手段
22で設定されたノック検出区間において、上記A/D変換
手段20で変換された各サンプリング周期Ts毎のデジタル
データPiと、基準値としての振動波形の振幅中心値P0と
の偏差の絶対値を算出し、各サンプリング周期Ts毎にそ
の値を加算する。そして、上記ノック検出区間における
A/D変換終了後、サンプリング数Ｓで割り平均値P2を算
出する。

すなわち、により、ノック検出区間の平均値P2を算出し、この平均
値P2をノックレベルとしてノック判定手段25へ出力す
る。

ノック判定レベル算出手段24では、上記検出区間設定
手段22で設定されたノック判定レベル検出区間におい
て、上記ノックレベル算出手段と同様にして平均値P1を
算出する。

次に、上記平均値P1の母平均を推定し、この母平均に
所定のオフセット値ＰOFFSETを加えてノック判定レベル
ＰKNを算出する。

すなわち、あるサイクルＮにおけるノック判定レベル
検出区間でのA/D変換が終了すると、その区間の平均値P
1を算出する。次に、前回までの連続した（Ｎ−１）サ
イクルにおける平均値Ｐ1AVE′を積算し、この積算値に
今回の平均値P1を加算してサイクル数Ｎで割ることによ
り今回までのＮサイクルの平均値Ｐ1AVEを算出して、母
平均とする。

そして、この平均値Ｐ1AVEに所定のオフセット値ＰOF
FSETを加えて今回のノック判定レベルＰKNを算出し、ノ
ック判定手段25へ出力する。

ＰKN＝Ｐ1AVE＋ＰOFFSET …（４）ノック判定手段25では、上記ノックレベル算出手段23
で算出したノックレベルP2と上記ノック判定レベル算出
手段24で算出したノック判定レベルＰKNとを比較して、
P2＜ＰKNの場合ノッキング発生無し、P2≧ＰKNの場合ノ
ッキング発生有りと判定し、ノック判定結果をSCI10を
介してメイン制御ユニット１に送信する。

（ノック判定レベル検出手順）上述した各処理は、第４図に示すように、タイマTM1,
TM2,TM3,TM4による多重割込みとして実行され、まず、
ノック判定レベル検出手順を第３図のフローチャートに
従って説明する。

最初に第３図（ａ）のメインルーチンのステップS101
にて初期化が行われ、ノック検出ユニット４の割込みベ
クタ、各種フラグ類、レジスタなどがイニシャライズさ
れる。

次いで、ステップS102へ進むと、割込みが許可され、
ステップS103へ進んでアイドルタスクへ移行し、CPU7を
待機状態にして割込みの発生を待つ。

次に、例えば６気筒エンジンの場合、第２図に示すよ
うに、クランク位置センサ２からクランク角70゜CAの信
号が入力されると外部割込みが発生し、第３図（ｂ）に
示すステップS151で、クランク位置センサ２からの30゜
CA毎の信号間の時間に基づき、クランク角30゜CA相当の
経過時間T30を算出する。

次いで、ステップS152へ進み、上記ステップS151で算
出したT30の値からエンジン回転数ＮEを算出し、ステッ
プS153へ進む。

ステップS153では、上記ステップS152で算出したエン
ジン回転数ＮEに基づいてノックセンサ６からの信号の
サンプリング区間の開始時刻、すなわち、ノック判定レ
ベル検出区間の開始時刻T1SをタイマTM1にセットし、ス
テップS154へ進む。

ステップS154では、上記タイマTM1の割込みを許可
し、ステップS155へ進んで上記エンジン回転数ＮEに基
づきノック判定レベル検出区間の時間幅TAD1を計算し、
メインルーチンへ復帰する。

次に、時刻T1Sで上記タイマTM1による内部割込みが発
生すると、第３図（ｃ）のステップS201で、上記サンプ
リング区間（ノック判定レベル検出区間）終了時刻T1E
（＝TAD1）をタイマTM3にセットし、次いでステップS20
2で上記タイマTM3の割込みを許可する。

次にステップS203へ進み、タイマTM4にA/D変換のサン
プリング周期ＴS1をタイマTM4にセットし、ステップS20
4で上記タイマTM4の割込みを許可してA/D変換器11によ
るA/D変換を直ちに開始し、メインルーチンへ復帰す
る。

すなわち、上記ステップS204でタイマTM4の割込みが
許可されると、第３図（ｄ）に示す割込みルーチンが起
動され、上記ステップS203でセットされたサンプリング
周期ＴS1毎に、上記A/D変換器11でA/D変換が実行され
る。

そして、ステップ251で上記A/D変換器11によって変換
された上記ノックセンサ６からの振動波形のデジタルデ
ータを読取り、ステップS252へ進んで、上記ステップS2
51で読取った振動波形のデジタルデータPiと振動波形の
振幅中心値P0との差の絶対差、すなわちノック強度（|P
i−P0|）を算出する。

次いで、ステップS253で前回のサンプリングまでのノ
ック強度積算値ＫNPに上記ステップS252で算出した今回
のノック強度を加算し今回のサンプリングまでのノック
強度積算値ＫNPを算出し（ＫNP＝ＫNP＋|Pi−P0|）、ス
テップS254へ進む。

ステップS254へ進むと、前回までのサンプリング数Ｓ
に１を加算して今回までのサンプリング数Ｓ（Ｓ＝Ｓ＋
１）を算出し、ステップS255で次のサンプリングタイミ
ングを上記A/D変換器11にセットしてルーチンを終了
し、つぎのサンプリングタイミングに再び上記ステップ
S251〜S255を繰り返す。

ここで、上記タイマTM1による割込み処理のステップS
201でセットされたノック判定レベル検出区間終了時刻T
1Eに達すると、第３図（ｆ）に示すタイマTM3による内
部割込みが発生する。

上記タイマTM3による割込みでは、ステップS401で上
記タイマTM4の割込みを禁止して上記ノックセンサ６か
らの出力信号のサンプリングを停止し、ステップS402で
フラグFLAGが０か否かを判定する。ノック判定レベル算
出の際にはフラグがFLAG＝０にセットされているのでス
テップS403へ進んでノックレベル検出区間における上記
ノック強度積算値ＫNPに対し、その平均値P1（＝ＫNP/
S）を算出してステップS404へ進む。

ステップS404では、前回までの連続した（Ｎ−１）サ
イクルにおける各区間の平均値Ｐ1AVE′を積算し、その
積算値に今回の平均値P1を加算して、今回までのＮサイ
クルの平均値Ｐ1AVEを前記（３）式、により算出する。

次に、ステップS405へ進み、上記ステップS404で算出
された平均値Ｐ1AVEにオフセット値ＰOFFSETを加算して
ノック判定レベルＰKNを算出する（ＰKN＝Ｐ1AVE＋ＰOF
FSTＥ）。

そして、ステップS406でフラグをFLAG＝１にセット
し、ステップS412へ進み、上記ノック強度積算値ＫNP及
びサンプリング数Ｓの値をクリアしてメインルーチンへ
復帰し、ノック判定レベルの検出を終了する。

（ノック検出手順）次に、上記クランク位置センサ２から固定点火時期を
示すクランク角10゜CAの割込み信号が入力されると、第
３図（ｅ）に示す外部割込みが発生し、ステップS351
で、クランク角70゜CAの割込み信号による処理において
算出されたエンジン回転数ＮEに基づき、ノックセンサ
６からの信号のサンプリング開始時刻、すなわち、ノッ
クレベル検出開始時刻T2Sを設定し、タイマTM2にセット
してステップS352へ進む。

ステップS352では、上記タイマTM2の割込みを許可
し、ステップS353へ進んで上記エンジン回転数ＮEに基
づきノックレベル検出区間の時間幅TAD2を計算し、メイ
ンルーチンへ復帰する。

そして、時刻T2Sに達すると、上述のノック判定レベ
ル検出と同様、タイマTM2による内部割込みが発生し、
ノック検出のサンプリング区間終了時刻T2E及びサンプ
リング周期ＴS2が、それぞれタイマTM3、タイマTM4にセ
ットされ、上記タイマTM4によるノックセンサ６からの
振動波形のA/D変換値のサンプリング処理が実行され
る。

ここで、上記サンプリング周期ＴS2は、例えば30μｓ
程度に設定され、上記ノックセンサ６からの振動波形を
忠実にデジタル化できるよう設定されている。

尚、上記サンプリング周期ＴS2に対し、ノック判定レ
ベル検出区間におけるサンプリング周期ＴS1は適宜設定
され、上記サンプリング周期ＴS1とサンプリング周期Ｔ
S2とは同一周期でも良い。また、上記タイマTM2,TM4に
よる割込み処理は上述のノック判定レベル検出の手順
（TM1割込、TM4割込）と同様のためその説明を省略す
る。

次に、第３図（ｆ）に示すタイマTM3によるノック判
定処理について説明する。

ステップS401で、タイマTM4によるA/D変換値のサンプ
リング処理の割込みを禁止すると、ステップS402へ進
み、フラグが０にセットされているか否かが判定され
る。この場合、前回のTM3割込みルーチンはノック判定
レベル算出であったため、前回ルーチンのステップS406
でフラグがFLAG＝１にセットされているので、ステップ
S402からステップS407へ進み、ノック検出区間における
ノック強度積算値ＫNPの平均値P2（＝ＫNP/S）を算出
し、ステップS408へ進む。

ステップS408では、上記ステップS407で算出されたノ
ック検出区間における平均値P2（ノックレベル）と、上
述のノック判定レベル検出区間で算出されたノック判定
レベルＰKNとを比較し、P2＜ＰKNのときステップS409へ
進んでノック発生無しと判定してステップS411へ進む。
一方、P2≧ＰKNのときは、ステップS410へ進み、ノック
発生有りと判定して上記メイン制御ユニット１に上記SC
I10を介してノック信号を送信し、ステップS411へ進
む。

そして、ステップS411へ進むと、フラグをFLAG←０に
セットしてステップS412へ進み、ノック検出区間におけ
るノック強度積算値ＫNP及びサンプリング数Ｓの値をク
リアしてメインルーチンへ復帰する。

以上の手順に従って、上記ノックセンサ６から出力さ
れる振動波形が上記ノック検出ユニット４に取込まれ、
ノック発生の有無が判定される。そして、例えばノック
発生有りと判定され、上記メイン制御ユニット１にノッ
ク信号が送信されると、ノッキング回避のため上記メイ
ン制御ユニット１から点火回路３へ出力される点火信号
が直ちに遅角される。

尚、本実施例においては、ノック検出ユニット４によ
りノック検出処理を行う例について説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、上記メイン制御ユニ
ット１にてノック検出処理を行っても良い。

また、ノックセンサ６は、共振型のセンサに限定され
ることなく、シリンダブロックなどに伝達されるエンジ
ンの機械的振動のみならず、例えば、燃焼圧力、振動音
など振動波形として検出するものであれば良い。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、ノックセンサ
から出力される振動波形が、この振動波形を再現可能な
サンプリング周期でアナログ／デジタル変換手段によ
り、直接デジタルデータに変換される。そして、ノック
検出レベル区間におけるアナログ／デジタル変換手段の
出力値のデジタルデータと基準値との偏差の絶対値の平
均値をノックレベルとして算出する。また、ノック判定
レベル検出区間におけるアナログ／デジタル変換手段の
出力値のデジタルデータと基準値との偏差の絶対値の平
均値に対する母平均を推定し、この母平均にオフセット
値を加算してノック判定レベルを算出する。そして、ノ
ックレベルとノック判定レベルとを比較し、ノック発生
の有無を判定するので、ノックセンサから出力される振
動波形をアナログ回路に依存することなく処理すること
ができ、アナログ回路の回路素子の経年変化などによる
回路特性の変化の影響を受けず、ノック検出の信頼性を
向上することができる。

また、上記アナログ回路の回路素子の定数設定が不要
となり、回路定数の誤差がなくなってノック検出が正確
に行える。さらに、回路素子の部品点数削減が達成で
き、コスト低減を図ることができるなど優れた効果が奏
される。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示し、第１図はノック検出装
置の機能ブロック図、第２図は回路構成図、第３図はノ
ック検出手順を示すフローチャート、第４図はノック検
出処理のタイミングチャートである。６……ノックセンサ、 20……アナログ／デジタル変換手段、 23……ノックレベル算出手段、 24……ノック判定レベル算出手段、 25……ノック判定手段、 Ts……サンプリング周期、 P1,P2……平均値、ＰKN……ノック判定レベル、ＰOFFSET……オフセット値。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01H 17/00 G01M 15/00 F02D 45/00 368 F02P 5/15

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ノックセンサから出力される振動波形のう
ち、ノック判定レベル検出区間における上記振動波形か
らノック判定の比較レベルであるノック判定レベルを算
出し、ノック検出区間における上記振動波形からノック
発生を検出するためのノックレベルを算出し、上記ノッ
ク判定レベルと上記ノックレベルとを比較することでノ
ック検出を行うエンジンのノック検出装置において、上記ノックセンサから出力される上記振動波形を、該振
動波形が再現可能なサンプリング周期で直接デジタルデ
ータに変換するアナログ／デジタル変換手段と、上記ノック判定レベル検出区間における上記アナログ／
デジタル変換手段の出力値のデジタルデータと基準値と
の偏差の絶対値の平均値に対する母平均を推定し、この
母平均にオフセット値を加算してノック判定レベルを算
出するノック判定レベル算出手段と、上記ノック検出レベル区間における上記アナログ／デジ
タル変換手段の出力値のデジタルデータと基準値との偏
差の絶対値の平均値をノックレベルとするノックレベル
算出手段と、上記ノック判定レベルと上記ノックレベルとを比較して
ノック発生の有無を判定するノック判定手段とを備えた
ことを特徴とするエンジンのノック検出装置。