JP4006781B2 - Internal combustion engine knock detection method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のノック検出方法及び装置に関し、より詳細には、燃焼室内のイオン電流に基づいてノックを検出する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガソリンエンジンでは、点火プラグから与えられる火花で点火プラグ付近の混合気が着火せしめられ、その火炎が混合気全体に伝わることによって、ガソリンの燃焼が起こる。その場合の異常燃焼の一つにノックがある。ノックは、火炎伝播の途中で圧力が異常に高くなった場合に火炎の伝播を待たずに未燃焼部分(端末ガス)が自己着火する現象である。ノックが発生すると、燃焼ガスが振動することにより熱が伝搬しやすくなり、その結果、エンジンが破損するおそれがある。ノックは、点火時期と密接な関係があり、点火時期を早めると燃焼最大圧力が高まり、ノックが発生しやすくなる。
【0003】
一方、熱効率を高め、燃料消費率を低減するためには、高い圧縮比を達成することが好ましい。そこで、ノックの発生を検出しつつノックが発生する限界近傍まで点火時期を早める制御が点火時期制御の一部として行われている。かかるノック検出方法としては、従来、シリンダブロック等に振動センサを取り付け、ノック振動を検出するものが一般的であったが、近年においては、ノック発生時におけるシリンダ内イオン電流変化を利用するものが提案されている。
【0004】
すなわち、点火プラグによる放電が起き、燃焼室内の混合気が燃焼すると、その混合気はイオン化する。混合気がイオン化した状態にあるときに、点火プラグに電圧を印加すると、イオン電流が流れる。このイオン電流を検出し、解析処理を行うことによって、ノックの発生を検出することができるのである。通常、ノックが発生すると、6〜7kHzの振動成分がイオン電流に現れる。イオン電流に基づくノック検出方法及び装置は、そのノック特有の周波数成分をフィルタ(濾波器)で抽出し、その大きさに基づいてノック判定を行う。
【0005】
例えば、特開平6-159129号公報は、イオン電流検出回路の出力から、6.3kHz付近の周波数成分をノック振動成分としてバンドパスフィルタ(帯域通過濾波器)により抽出し、その抽出された周波数成分を積分し、その積分結果に基づいてノック発生の有無を検出する方法を開示している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation )の実行時や低中負荷時には、燃焼が不安定となり、これに起因する振動成分がイオン電流出力信号に含まれる場合がある。このような燃焼の不安定に起因する振動成分は、イオン電流出力信号に含まれるノック振動成分に基づきノック判定を行う上でノイズ(以下、燃焼変動ノイズと呼ぶ)となる。そして、この燃焼変動ノイズの周波数は1〜7kHzであるため、ノック振動成分と燃焼変動ノイズ成分とを分離することは困難である。すなわち、燃焼変動ノイズが存在する場合、ノック振動に関連する周波数成分の抽出用として設けられたバンドパスフィルタを通過する成分が現れ、実際にはノックが発生していないにもかかわらず、ノックありとの誤判定がなされてしまう。
【0007】
かかる実情に鑑み、本発明の目的は、イオン電流出力信号からノック振動成分を抽出する際、燃焼変動ノイズ成分を確実に分離して抽出することができる、内燃機関のノック検出方法及び装置を提供することにより、ノック検出精度の更なる向上を図ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明によれば、点火コイルと、前記点火コイルの一次側に接続され、一次電流の通電及び遮断を切り換えるスイッチング手段と、前記点火コイルの二次側に接続され、前記スイッチング手段による一次電流の遮断に伴い発生する二次側高電圧に応じて火花放電を起こすことにより、シリンダ内の混合気を着火せしめる点火プラグと、を有する内燃機関においてノックを検出する方法であって、(a) 前記点火コイル二次側を含まずかつ前記点火プラグを含む閉回路に電圧を印加し、混合気の燃焼時にシリンダ内に発生するイオンを介して前記点火プラグに流れるイオン電流を検出するステップと、(b) 前記ステップ(a) において生成されるイオン電流出力信号を、放電ノイズが発生しうる期間においてマスクするステップと、(c) 前記ステップ(b) によるマスク処理後の信号からノック振動の高次の周波数成分を抽出するステップと、(d) 前記ステップ(c) において抽出されるノック振動の高次の周波数成分に基づいてノックの有無を判定するステップと、を具備する、内燃機関のノック検出方法が提供される。
【0009】
また、本発明によれば、点火コイルと、前記点火コイルの一次側に接続され、一次電流の通電及び遮断を切り換えるスイッチング手段と、前記点火コイルの二次側に接続され、前記スイッチング手段による一次電流の遮断に伴い発生する二次側高電圧に応じて火花放電を起こすことにより、シリンダ内の混合気を着火せしめる点火プラグと、を有する内燃機関においてノックを検出する装置であって、前記点火コイル二次側を含まずかつ前記点火プラグを含む閉回路に電圧を印加し、混合気の燃焼時にシリンダ内に発生するイオンを介して前記点火プラグに流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、放電ノイズが発生しうる期間において前記イオン電流検出手段の出力信号をマスクするマスク手段と、前記マスク手段の出力信号からノック振動の高次の周波数成分を抽出するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタの出力信号に基づいてノックの有無を判定するノック判定手段と、を具備する、内燃機関のノック検出装置が提供される。
【0010】
なお、ノック振動の高次の周波数成分としては、10〜18kHz付近の周波数成分が好ましい。
【0011】
上記の如く構成された、本発明に係る、内燃機関のノック検出方法及び装置においては、イオン電流が流れる経路内に点火コイル二次側が存在しないため、ノック振動の高次の周波数成分を含んだ状態でイオン電流が検出される。そして、そのイオン電流出力信号からノック振動の高次の周波数成分のみが抽出されるため、異なる周波数帯域にある燃焼変動ノイズは確実に分離される。その結果、燃焼の不安定に起因してノックありとの誤判定がなされるという事態を確実に防止することができ、ノック検出精度が向上する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、まずその前に、本発明が課題とする従来技術の問題点を分析するとともに、本発明の課題解決原理の詳細について説明する。イオン電流に基づくノック検出装置の構成は、2通りに分類することができる。その一方は、イオン電流が流れる経路内に点火コイル二次側を含む構成であり、他方は、イオン電流が流れる経路内に点火コイル二次側を含まない構成である。
【0013】
図1は、点火コイル二次側を含む経路にイオン電流が流れる構成を採用するノック検出装置の一例を示すブロック図である。点火コイル1の一次巻線1aの一端は、バッテリ2の正電極に接続され、他の一端は、スイッチング手段としてのトランジスタ3のコレクタに接続されている。そのトランジスタ3のエミッタは接地され、そのベースには点火信号が印加されるように構成されている。点火コイル1の二次巻線1bの一端は、点火プラグ4の中心電極4aに接続されている。点火プラグ4の外側電極4bは、接地されている。
【0014】
点火コイル1の二次巻線1bの他端は、イオン電流検出回路5を介して接地されている。イオン電流検出回路5は、点火コイル1の一次電流の遮断時に生ずる二次電流によりイオン電流生成用電源となるコンデンサ(図示せず)を一定電圧に充電し、火花放電後、このコンデンサと点火コイル二次巻線1bと点火プラグ4と電流検出抵抗(図示せず)とからなる閉回路に流れるイオン電流を検出するように構成されている。
【0015】
まず、点火信号がハイとなり、トランジスタ3がオンすると、点火コイル一次巻線1aに電流が流れる。次いで、点火信号がロウとされてトランジスタ3がオフにされることにより一次電流が遮断されると、点火コイル1の二次巻線1bに高電圧が誘起され、その結果、点火プラグ4にて火花放電が起こる。すなわち、点火プラグ4の中心電極4aにマイナス極性の高電圧が印加されることにより、中心電極4aと外側電極(接地電極)4bとの間で火花放電が起こり、点火コイル二次巻線1bから、イオン電流検出回路5及び点火プラグ4を介して、二次巻線1bへと一巡する電流が流れる。この過程において、イオン電流検出回路5内のコンデンサは、一定電圧にまで充電される。
【0016】
点火プラグ4における火花放電により、燃焼室内の混合気が着火し燃焼すると、その混合気はイオン化する。混合気がイオン化した状態にあるときには、点火プラグ4の両電極間は導電性を有する。なおかつ、イオン電流検出回路5内のコンデンサの充電電圧により点火プラグ4の両電極間には電圧が印加されるため、イオン電流が流れる。すなわち、このイオン電流は、イオン電流検出回路5から、点火コイル二次巻線1b及び点火プラグ4を介して、再びイオン電流検出回路5へと一巡する。この過程において、イオン電流検出回路5内の電流検出抵抗の両端にイオン電流の大きさに応じた電圧が現れ、この電圧がイオン電流検出回路の出力信号(以下、イオン電流出力信号と呼ぶ)となる。
【0017】
そして、イオン電流出力信号は、マスク回路6に導かれる。マスク回路6は、供給されるマスク信号がアクティブの間、イオン電流出力信号をマスクすることにより、放電ノイズが発生する期間の信号を後段に伝達しないようにするためのものである。マスク回路6の出力は、バンドパスフィルタ(BPF)(帯域通過濾波器)7に導かれる。BPF7は、マスク回路6の出力信号を入力してその中からノックに関連する周波数成分すなわち6〜7kHz付近の周波数成分を抽出する。また、BPF7の後段に設けられた積分回路8は、供給されるゲート信号がアクティブの間、BPF7の出力信号を積分する。なお、積分回路に代えて、ピークホールド(P/H)回路を設けてもよい。
【0018】
また、A/D変換回路9は、積分回路8のアナログ出力電圧をディジタル出力電圧に変換する。さらに、中央処理装置(CPU)10は、ノック制御を含む点火時期制御を行うものであり、A/D変換回路9の出力信号に基づき、その値が所定の基準値以上となったときにノックありと判定する。そして、CPU10は、各種センサからの出力に基づいて各種運転状態を検出し、ノックの有無とともにエンジンの状態を総合的に判定し、最適な点火時期を決定し、点火信号を出力する。また、CPU10は、マスク回路6におけるマスク期間及び積分回路8におけるゲート期間を決定し、マスク信号及びゲート信号をマスク回路6及び積分回路8にそれぞれ供給する。
【0019】
図2(A)〜(C)、図3(A)〜(C)及び図4(A)〜(C)は、図1のノック検出装置における(A)イオン電流出力信号、(B)BPF出力信号及び(C)積分回路出力信号のタイムチャートを示す図であって、図2は、燃焼が安定しているとともにノックが発生していない場合に係る図であり、図3は、ノックが発生している場合に係る図であり、図4は、ノックは発生していないが低負荷域やEGR実行域にあって燃焼が不安定である場合に係る図である。急峻な放電ノイズの終了後に現れるイオン電流出力は、筒内圧力に同期した山形状の低周波数信号である。そして、図2の場合、イオン電流出力にはノックに起因する振動成分も燃焼変動に起因する振動成分も含まれず、ノック振動成分の発生が予想されるゲート期間(この例では上死点後10°〜40°に設定されている)においてBPF出力を積分しても、その積分値は小さい。
【0020】
一方、ノックが発生した場合、図3に示されるように、筒内圧力最大時以降にノック振動成分がイオン電流出力に重なる。そのノック振動成分がBPFにより抽出される結果、積分値が大きくなり、ノック検出が可能となる。ところが、ノックが発生していなくとも燃焼が不安定な場合、図4に示されるように、イオン電流出力は、1〜7kHzの振動成分を含む乱雑な波形となり、それに伴い、BPF出力も、振幅の大きな信号となって現れ、その結果、積分回路出力も大きくなって、ノックが誤検出されてしまう。
【0021】
図5(A)、(B)及び(C)は、FFT(高速フーリエ変換)解析により、図2(A)、図3(A)及び図4(A)に示されるイオン電流出力信号をそれぞれ周波数領域で表示した特性図であり、横軸は周波数、縦軸はパワースペクトル密度を表す。この図からもわかるように、ノックが発生した場合(図5(B))には、ノックが発生しなかった場合(図5(A))に比較して、6〜7kHzの周波数成分が大きく現れる。しかし、ノックは発生していないが燃焼が不安定な場合(図5(C))にも、やはり6〜7kHzの周波数成分がかなり含まれる。従って、従来のノイズ検出方法では、燃焼変動ノイズの影響を受けることから逃れることができない。
【0022】
ところで、ノック現象について詳細に検討すると、その振動の周波数は、燃焼室の寸法(主にボア径)及び音速から決まる各種共鳴振動モードの周波数とその高調波とからなり、その各種共鳴振動モード及び共鳴振動数は、例えば、図6に例示される如きものである。同図に示される6.3kHzの共鳴振動モードの一次成分に着目してノック検出を行うと、前述したように、1〜7kHzの燃焼変動ノイズの影響を回避することができない。しかし、6.3kHzの振動モードの高調波やその他の共鳴振動モードに着目し、ノック振動の高次の周波数成分を抽出してノック判定を行うこととすれば、燃焼変動ノイズの影響を取り除くことができる。高次の周波数成分としては、図6及びプラグ取付位置から判断して、10〜18kHz付近が好ましい。
【0023】
そこで、本発明では、ノック振動の高次の周波数成分に基づき、ノック判定を行う。ただし、図1に示したような、イオン電流経路に点火コイル二次巻線を含む構成では、二次巻線が一種のフィルタとなり、図5(B)に示されるように高周波数成分がカットされてしまう。そのため、本発明では、イオン電流経路に点火コイル二次巻線を含まない構成を採用する。
【0024】
図7は、本発明の一実施形態に係るノック検出装置の構成を示す図である。なお、図1に示される構成要素と同一の構成要素には、同一の符号が付されている。すなわち、図1のイオン電流検出回路5及びBPF7に代えて、イオン電流検出回路15及びBPF17が設けられており、その他の部分は同一である。BPF17は、従来技術のようにノック振動の一次の周波数成分としての6〜7kHz付近を抽出するのではなく、ノック振動の高次の周波数成分としての10〜18kHz付近を抽出する。
【0025】
図8は、図7に示されるイオン電流検出回路15及び点火回路の詳細を示す回路図である。点火コイル1の二次巻線1bの一端は、ダイオード21を介して点火プラグ4の中心電極4aに接続されている。ダイオード21と点火プラグ4との接続点は、ダイオード22、定電圧電源23及びイオン電流検出抵抗24を介して接地されている。従って、点火プラグ4には、定電圧電源23により常に一定電圧が印加されていることとなる。
【0026】
したがって、火花放電後には、定電圧電源23の正端子から、イオン電流検出抵抗24、点火プラグ4及びダイオード22を介して、定電圧電源23の負端子へと一巡するイオン電流が流れる。そして、イオン電流検出抵抗24と定電圧電源23との接続点には“イオン電流値×検出抵抗値”の電圧が現れ、その電圧はイオン電流出力信号として後段の回路に供給される。このように、イオン電流が流れる経路内に点火コイル二次側が存在しないため、ノック振動の高次の周波数成分がカットされることなしにイオン電流が検出される。そして、前述したように、ノック振動の高次の周波数成分は、後段のBPF17により抽出される。その後のノック判定処理は、図1に関して説明した内容と同一である。
【0027】
図9は、図8に示される回路構成にて検出されるイオン電流出力信号のFFT解析結果を示す図、すなわちイオン電流出力を周波数領域で表示した特性図であり、横軸は周波数、縦軸はパワースペクトル密度を表す。なお、図9(A)は、ノックが発生しなかった場合についてのものであり、図9(B)は、ノックが発生した場合についてのものである。この図からわかるように、点火コイル二次側をイオン電流経路に含まない場合には、ノック振動の一次の周波数成分6〜7kHz付近だけでなく、ノック振動の高次の周波数成分10〜18kHz付近でも、ノック発生の有無により差が生ずる。従って、1〜7kHz付近の燃焼変動ノイズを影響を回避すべく、図7の回路構成により、ノック振動の高次の周波数成分10〜18kHzを帯域通過させてノック判定を行うことができ、ノック検出精度が向上する。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、イオン電流出力信号からノック振動成分を抽出する際、燃焼変動ノイズ成分を確実に分離して抽出することができる、内燃機関のノック検出方法及び装置が提供される。すなわち、イオン電流が流れる経路内に点火コイル二次側が存在しないため、ノック振動の高次の周波数成分を含んだ状態でイオン電流が検出され、ノック判定用にその高次の周波数成分のみが抽出される結果、異なる周波数帯域にある燃焼変動ノイズが確実に除去される。従って、EGR実行時や低中負荷時において燃焼の不安定に起因してノックありとの誤判定がなされるという事態が確実に回避され、ノック検出精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】点火コイル二次側を含む経路にイオン電流が流れる構成を採用するノック検出装置の一例を示すブロック図である。
【図2】図1のノック検出装置における(A)イオン電流出力信号、(B)BPF出力信号及び(C)積分回路出力信号のタイムチャートを示す図であって、燃焼が安定しているとともにノックが発生していない場合に関するものである。
【図3】図1のノック検出装置における(A)イオン電流出力信号、(B)BPF出力信号及び(C)積分回路出力信号のタイムチャートを示す図であって、ノックが発生している場合に関するものである。
【図4】図1のノック検出装置における(A)イオン電流出力信号、(B)BPF出力信号及び(C)積分回路出力信号のタイムチャートを示す図であって、ノックは発生していないが燃焼が不安定である場合に関するものである。
【図5】(A)、(B)及び(C)は、図2(A)、図3(A)及び図4(A)に示されるイオン電流出力信号をそれぞれFFT(高速フーリエ変換)解析により周波数領域で表示した特性図である。
【図6】ノック振動の各種共鳴振動モード及び共鳴振動数を示す図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るノック検出装置の構成を示す図である。
【図8】図7に示されるイオン電流検出回路15及び点火回路の詳細を示す回路図である。
【図9】図8に示される回路構成にて検出されるイオン電流出力信号のFFT解析結果を示す図、すなわちイオン電流出力を周波数領域で表示した特性図であって、(A)は、ノックが発生しなかった場合についてのものであり、(B)は、ノックが発生した場合についてのものである。
【符号の説明】
1…点火コイル
1a…一次巻線
1b…二次巻線
2…バッテリ
3…トランジスタ
4…点火プラグ
4a…中心電極
4b…外側電極
5…イオン電流検出回路
6…マスク回路
7…バンドパスフィルタ
8…積分(又はピークホールド)回路
9…A/D変換回路
10…CPU
15…イオン電流検出回路
17…バンドパスフィルタ
21…ダイオード
22…ダイオード
23…定電圧電源
24…イオン電流検出抵抗
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a knock detection method and apparatus for an internal combustion engine, and more particularly to a method and apparatus for detecting knock based on an ionic current in a combustion chamber.
[0002]
[Prior art]
In a gasoline engine, an air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug is ignited by a spark given from the spark plug, and the flame is transmitted to the entire air-fuel mixture, thereby causing gasoline combustion. One such abnormal combustion is knocking. Knocking is a phenomenon in which an unburned portion (terminal gas) self-ignites without waiting for the flame to propagate when the pressure becomes abnormally high during the flame propagation. When knocking occurs, the combustion gas vibrates and heat easily propagates. As a result, the engine may be damaged. Knock has a close relationship with the ignition timing. If the ignition timing is advanced, the maximum combustion pressure increases and knocking is likely to occur.
[0003]
On the other hand, it is preferable to achieve a high compression ratio in order to increase the thermal efficiency and reduce the fuel consumption rate. Therefore, control for advancing the ignition timing to near the limit where knocking occurs while detecting the occurrence of knocking is performed as part of the ignition timing control. As such a knock detection method, conventionally, a vibration sensor is attached to a cylinder block or the like to detect knock vibration. However, in recent years, a method using a change in ionic current in a cylinder when a knock occurs is used. Proposed.
[0004]
That is, when the spark plug discharges and the mixture in the combustion chamber burns, the mixture is ionized. When a voltage is applied to the spark plug when the air-fuel mixture is in an ionized state, an ionic current flows. By detecting this ionic current and performing an analysis process, the occurrence of knocking can be detected. Normally, when knocking occurs, a vibration component of 6 to 7 kHz appears in the ionic current. The knock detection method and apparatus based on ion current extracts a frequency component peculiar to the knock with a filter (filter), and performs knock determination based on the magnitude.
[0005]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-159129 extracts a frequency component in the vicinity of 6.3 kHz from the output of an ion current detection circuit as a knock vibration component by a bandpass filter (bandpass filter), and the extracted frequency component , And a method for detecting the presence or absence of occurrence of knock based on the integration result is disclosed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when exhaust gas recirculation (EGR) is performed or during low and medium loads, combustion becomes unstable, and vibration components resulting from this may be included in the ion current output signal. The vibration component resulting from such instability of combustion becomes noise (hereinafter referred to as combustion fluctuation noise) when performing knock determination based on the knock vibration component included in the ion current output signal. And since the frequency of this combustion fluctuation noise is 1-7 kHz, it is difficult to isolate | separate a knock vibration component and a combustion fluctuation noise component. That is, when combustion fluctuation noise is present, a component that passes through a bandpass filter provided for extraction of frequency components related to knock vibration appears, and there is no knock even though no knock has actually occurred. Will be misjudged.
[0007]
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a knock detection method and apparatus for an internal combustion engine that can reliably separate and extract a combustion fluctuation noise component when extracting a knock vibration component from an ion current output signal. By doing so, the knock detection accuracy is further improved.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, an ignition coil, a switching means connected to a primary side of the ignition coil, which switches between energization and cutoff of a primary current, and a secondary side of the ignition coil are connected, A method of detecting knock in an internal combustion engine having an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in a cylinder by causing a spark discharge in response to a secondary high voltage generated when the primary current is interrupted by the switching means. (A) an ionic current that flows through the spark plug through ions generated in the cylinder when the mixture is burned by applying a voltage to a closed circuit that does not include the secondary side of the ignition coil and includes the spark plug And (b) masking the ion current output signal generated in step (a) in a period during which discharge noise can occur. (C) extracting a higher-order frequency component of knock vibration from the signal after mask processing in step (b); and (d) a higher-order frequency component of knock vibration extracted in step (c). Determining whether or not there is a knock based on the above.
[0009]
Further, according to the present invention, the ignition coil, the switching means connected to the primary side of the ignition coil and switching between energization and cutoff of the primary current, and the secondary side of the ignition coil connected to the primary side by the switching means A device for detecting knock in an internal combustion engine having a spark plug that ignites an air-fuel mixture in a cylinder by causing a spark discharge in response to a secondary high voltage generated in response to interruption of current, the ignition An ionic current detection means for applying a voltage to a closed circuit not including the secondary side of the coil and including the spark plug, and detecting an ionic current flowing through the spark plug through ions generated in the cylinder when the air-fuel mixture burns; Masking means for masking the output signal of the ion current detection means during a period in which discharge noise can occur, and whether the output signal of the masking means There is provided a knock detection device for an internal combustion engine, comprising: a band pass filter that extracts a high-order frequency component of knock vibration; and a knock determination unit that determines presence or absence of knock based on an output signal of the band pass filter. The
[0010]
In addition, as a high-order frequency component of knock vibration, a frequency component in the vicinity of 10 to 18 kHz is preferable.
[0011]
In the knock detection method and apparatus for an internal combustion engine according to the present invention configured as described above, since the secondary side of the ignition coil does not exist in the path through which the ionic current flows, a high-order frequency component of knock vibration is included. An ionic current is detected in the state. Since only the higher-order frequency components of knock vibration are extracted from the ion current output signal, combustion fluctuation noises in different frequency bands are reliably separated. As a result, it is possible to reliably prevent a situation in which an erroneous determination that there is a knock due to instability of combustion is made, and the knock detection accuracy is improved.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, but before that, the problems of the prior art that the present invention has as a subject will be analyzed and details of the problem-solving principle of the present invention will be described. . The configuration of the knock detection device based on the ionic current can be classified into two types. One of the configurations includes the ignition coil secondary side in the path through which the ion current flows, and the other includes the configuration in which the ignition coil secondary side is not included in the path through which the ion current flows.
[0013]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a knock detection device that employs a configuration in which an ion current flows through a path including an ignition coil secondary side. One end of the primary winding 1a of the ignition coil 1 is connected to the positive electrode of the battery 2, and the other end is connected to the collector of the transistor 3 as switching means. The emitter of the transistor 3 is grounded, and an ignition signal is applied to its base. One end of the secondary winding 1 b of the ignition coil 1 is connected to the center electrode 4 a of the spark plug 4. The outer electrode 4b of the spark plug 4 is grounded.
[0014]
The other end of the secondary winding 1 b of the ignition coil 1 is grounded via the ion current detection circuit 5. The ion current detection circuit 5 charges a capacitor (not shown) serving as an ion current generating power source to a constant voltage by a secondary current generated when the primary current of the ignition coil 1 is interrupted, and after spark discharge, this capacitor and the ignition coil An ionic current flowing in a closed circuit composed of the secondary winding 1b, the spark plug 4, and a current detection resistor (not shown) is detected.
[0015]
First, when the ignition signal goes high and the transistor 3 is turned on, a current flows through the ignition coil primary winding 1a. Next, when the ignition signal is made low and the transistor 3 is turned off to cut off the primary current, a high voltage is induced in the secondary winding 1b of the ignition coil 1, and as a result, the ignition plug 4 Spark discharge occurs. That is, when a negative high voltage is applied to the center electrode 4a of the spark plug 4, a spark discharge occurs between the center electrode 4a and the outer electrode (ground electrode) 4b, and the spark coil secondary winding 1b Then, a current that makes a circuit flows to the secondary winding 1b through the ion current detection circuit 5 and the spark plug 4. In this process, the capacitor in the ion current detection circuit 5 is charged to a constant voltage.
[0016]
When the air-fuel mixture in the combustion chamber is ignited and burned by the spark discharge in the spark plug 4, the air-fuel mixture is ionized. When the air-fuel mixture is in an ionized state, the two electrodes of the spark plug 4 are electrically conductive. In addition, since a voltage is applied between both electrodes of the spark plug 4 due to the charging voltage of the capacitor in the ion current detection circuit 5, an ion current flows. That is, this ion current makes a round from the ion current detection circuit 5 to the ion current detection circuit 5 again via the ignition coil secondary winding 1b and the ignition plug 4. In this process, a voltage corresponding to the magnitude of the ion current appears at both ends of the current detection resistor in the ion current detection circuit 5, and this voltage is an output signal of the ion current detection circuit (hereinafter referred to as an ion current output signal). Become.
[0017]
Then, the ion current output signal is guided to the mask circuit 6. The mask circuit 6 is for masking the ion current output signal while the supplied mask signal is active so as not to transmit a signal in a period during which discharge noise occurs to the subsequent stage. The output of the mask circuit 6 is guided to a band pass filter (BPF) (band pass filter) 7. The BPF 7 receives the output signal of the mask circuit 6 and extracts a frequency component related to knock, that is, a frequency component in the vicinity of 6 to 7 kHz. Further, the integration circuit 8 provided at the subsequent stage of the BPF 7 integrates the output signal of the BPF 7 while the supplied gate signal is active. Note that a peak hold (P / H) circuit may be provided instead of the integration circuit.
[0018]
The A / D conversion circuit 9 converts the analog output voltage of the integration circuit 8 into a digital output voltage. Further, the central processing unit (CPU) 10 performs ignition timing control including knock control. Based on the output signal of the A / D conversion circuit 9, the central processing unit (CPU) 10 knocks when the value exceeds a predetermined reference value. Judge that there is. The CPU 10 detects various operating states based on outputs from the various sensors, comprehensively determines the engine state together with the presence or absence of knock, determines an optimal ignition timing, and outputs an ignition signal. The CPU 10 determines a mask period in the mask circuit 6 and a gate period in the integration circuit 8, and supplies a mask signal and a gate signal to the mask circuit 6 and the integration circuit 8, respectively.
[0019]
2 (A) to (C), FIGS. 3 (A) to (C) and FIGS. 4 (A) to (C) are (A) an ion current output signal and (B) BPF in the knock detection device of FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a time chart of an output signal and (C) an integration circuit output signal. FIG. 2 is a diagram related to a case where combustion is stable and knock does not occur, and FIG. FIG. 4 is a diagram related to the case where combustion is unstable in the low load region or the EGR execution region although knocking has not occurred. The ion current output that appears after the end of the steep discharge noise is a mountain-shaped low-frequency signal synchronized with the in-cylinder pressure. In the case of FIG. 2, the ion current output includes neither a vibration component due to knock nor a vibration component due to combustion fluctuation, and a gate period during which knock vibration component is expected to occur (in this example, 10 after top dead center). Even if the BPF output is integrated in (set to 40 °), the integrated value is small.
[0020]
On the other hand, when knocking occurs, as shown in FIG. 3, the knock vibration component overlaps the ion current output after the maximum in-cylinder pressure. As a result of the knock vibration component being extracted by the BPF, the integral value becomes large and knock detection becomes possible. However, when the combustion is unstable even if no knock has occurred, the ion current output becomes a messy waveform including a vibration component of 1 to 7 kHz as shown in FIG. Appears as a large signal, and as a result, the output of the integration circuit also increases, and knock is erroneously detected.
[0021]
FIGS. 5A, 5B, and 5C respectively show the ion current output signals shown in FIGS. 2A, 3A, and 4A by FFT (Fast Fourier Transform) analysis. It is the characteristic view displayed in the frequency domain, a horizontal axis represents a frequency and a vertical axis | shaft represents a power spectrum density. As can be seen from this figure, when knocking occurs (FIG. 5B), the frequency component of 6 to 7 kHz is larger than when knocking does not occur (FIG. 5A). appear. However, even when knocking does not occur but combustion is unstable (FIG. 5C), a frequency component of 6 to 7 kHz is also considerably included. Therefore, the conventional noise detection method cannot escape from being affected by combustion fluctuation noise.
[0022]
By the way, when the knock phenomenon is examined in detail, the frequency of the vibration is composed of the frequency of various resonance vibration modes determined by the dimensions of the combustion chamber (mainly the bore diameter) and the sound velocity and its harmonics, and the various resonance vibration modes and The resonance frequency is, for example, as illustrated in FIG. If knock detection is performed by paying attention to the primary component of the 6.3 kHz resonance vibration mode shown in the figure, as described above, the influence of combustion fluctuation noise of 1 to 7 kHz cannot be avoided. However, paying attention to the harmonics of the 6.3 kHz vibration mode and other resonance vibration modes, if the knock determination is performed by extracting the higher-order frequency components of the knock vibration, the influence of the combustion fluctuation noise is removed. Can do. As a high-order frequency component, judging from FIG. 6 and the plug mounting position, the vicinity of 10 to 18 kHz is preferable.
[0023]
Therefore, in the present invention, knock determination is performed based on higher-order frequency components of knock vibration. However, in the configuration including the ignition coil secondary winding in the ionic current path as shown in FIG. 1, the secondary winding becomes a kind of filter, and the high frequency component is cut as shown in FIG. Will be. For this reason, the present invention employs a configuration that does not include the ignition coil secondary winding in the ion current path.
[0024]
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a knock detection device according to an embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the component shown by FIG. That is, an ion current detection circuit 15 and a BPF 17 are provided instead of the ion current detection circuit 5 and the BPF 7 in FIG. 1, and the other parts are the same. The BPF 17 does not extract the vicinity of 6 to 7 kHz as the primary frequency component of the knock vibration as in the conventional technique, but extracts the vicinity of 10 to 18 kHz as the high-order frequency component of the knock vibration.
[0025]
FIG. 8 is a circuit diagram showing details of the ion current detection circuit 15 and the ignition circuit shown in FIG. One end of the secondary winding 1 b of the ignition coil 1 is connected to the center electrode 4 a of the spark plug 4 via a diode 21. A connection point between the diode 21 and the spark plug 4 is grounded via a diode 22, a constant voltage power supply 23, and an ion current detection resistor 24. Therefore, a constant voltage is always applied to the spark plug 4 by the constant voltage power source 23.
[0026]
Therefore, after the spark discharge, an ion current that makes a circuit flows from the positive terminal of the constant voltage power supply 23 to the negative terminal of the constant voltage power supply 23 via the ion current detection resistor 24, the spark plug 4, and the diode 22. A voltage of “ion current value × detection resistance value” appears at the connection point between the ion current detection resistor 24 and the constant voltage power supply 23, and the voltage is supplied to the subsequent circuit as an ion current output signal. Thus, since the secondary side of the ignition coil does not exist in the path through which the ionic current flows, the ionic current is detected without cutting the higher-order frequency component of the knock vibration. As described above, the higher-order frequency component of knock vibration is extracted by the BPF 17 at the subsequent stage. Subsequent knock determination processing is the same as that described with reference to FIG.
[0027]
FIG. 9 is a diagram showing the FFT analysis result of the ionic current output signal detected by the circuit configuration shown in FIG. 8, that is, a characteristic diagram in which the ionic current output is displayed in the frequency domain. Represents the power spectral density. Note that FIG. 9A shows a case where no knock has occurred, and FIG. 9B shows a case where a knock has occurred. As can be seen from this figure, when the secondary side of the ignition coil is not included in the ion current path, not only the primary frequency component of the knock vibration is about 6 to 7 kHz, but also the high frequency component of the knock vibration is about 10 to 18 kHz. However, there is a difference depending on whether knocking occurs. Therefore, in order to avoid the influence of combustion fluctuation noise in the vicinity of 1 to 7 kHz, the circuit configuration shown in FIG. 7 makes it possible to perform knock determination by passing the higher-order frequency components 10 to 18 kHz of the knock vibration through the band and detect the knock. Accuracy is improved.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a knock detection method and apparatus for an internal combustion engine that can reliably extract and extract a combustion fluctuation noise component when extracting a knock vibration component from an ion current output signal. Provided. In other words, since the secondary side of the ignition coil does not exist in the path through which the ionic current flows, the ionic current is detected in a state including the higher-order frequency component of knock vibration, and only the higher-order frequency component is extracted for knock determination. As a result, combustion fluctuation noise in different frequency bands is reliably removed. Therefore, a situation in which an erroneous determination that there is a knock due to instability of combustion at the time of EGR execution or a low / medium load is reliably avoided, and the knock detection accuracy is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a knock detection device that employs a configuration in which an ion current flows through a path including an ignition coil secondary side.
2 is a time chart of (A) ion current output signal, (B) BPF output signal, and (C) integration circuit output signal in the knock detection device of FIG. 1, and combustion is stable. This relates to the case where no knock has occurred.
3 is a diagram showing time charts of (A) ion current output signal, (B) BPF output signal, and (C) integration circuit output signal in the knock detection device of FIG. 1, and when knocking occurs. It is about.
4 is a time chart of (A) an ion current output signal, (B) a BPF output signal, and (C) an integration circuit output signal in the knock detection device of FIG. 1, and no knock has occurred. It relates to the case where combustion is unstable.
5 (A), (B) and (C) are FFT (Fast Fourier Transform) analyzes of the ion current output signals shown in FIG. 2 (A), FIG. 3 (A) and FIG. 4 (A), respectively. FIG. 6 is a characteristic diagram displayed in the frequency domain.
FIG. 6 is a diagram showing various resonance vibration modes and resonance frequencies of knock vibration.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a knock detection device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a circuit diagram showing details of the ion current detection circuit 15 and the ignition circuit shown in FIG.
9 is a diagram showing an FFT analysis result of an ion current output signal detected by the circuit configuration shown in FIG. 8, that is, a characteristic diagram in which an ion current output is displayed in a frequency domain, and FIG. (B) is for the case where knocking occurs.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ignition coil 1a ... Primary winding 1b ... Secondary winding 2 ... Battery 3 ... Transistor 4 ... Ignition plug 4a ... Center electrode 4b ... Outer electrode 5 ... Ion current detection circuit 6 ... Mask circuit 7 ... Band pass filter 8 ... Integration (or peak hold) circuit 9 ... A / D conversion circuit 10 ... CPU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Ion current detection circuit 17 ... Band pass filter 21 ... Diode 22 ... Diode 23 ... Constant voltage power supply 24 ... Ion current detection resistance

Claims (2)

点火コイルと、前記点火コイルの一次側に接続され、一次電流の通電及び遮断を切り換えるスイッチング手段と、前記点火コイルの二次側に接続され、前記スイッチング手段による一次電流の遮断に伴い発生する二次側高電圧に応じて火花放電を起こすことにより、シリンダ内の混合気を着火せしめる点火プラグと、を有する内燃機関においてノックを検出する方法であって、
(a) 前記点火コイル二次側を含まずかつ前記点火プラグを含む閉回路に電圧を印加し、混合気の燃焼時にシリンダ内に発生するイオンを介して前記点火プラグに流れるイオン電流を検出するステップと、
(b) 前記ステップ(a) において生成されるイオン電流出力信号を、放電ノイズが発生しうる期間においてマスクするステップと、
(c) 前記ステップ(b) によるマスク処理後の信号から10〜18kHzのみの周波数成分を抽出するステップと、
(d) 前記ステップ(c) において抽出される周波数成分に基づいてノックの有無を判定するステップと、
を具備する、内燃機関のノック検出方法。
An ignition coil, switching means connected to the primary side of the ignition coil and switching between energization and interruption of the primary current, and connected to the secondary side of the ignition coil and generated when the primary current is interrupted by the switching means. A method for detecting knock in an internal combustion engine having an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in a cylinder by causing a spark discharge in response to a secondary high voltage,
(a) A voltage is applied to a closed circuit not including the ignition coil secondary side and including the ignition plug, and an ionic current flowing through the ignition plug is detected via ions generated in the cylinder when the air-fuel mixture burns Steps,
(b) masking the ion current output signal generated in step (a) in a period in which discharge noise may occur;
(c) extracting a frequency component of only 10 to 18 kHz from the signal after the mask processing in step (b);
determining the presence or absence of knock based in (d) of the frequency components that will be extracted in step (c),
A knock detection method for an internal combustion engine, comprising:
点火コイルと、前記点火コイルの一次側に接続され、一次電流の通電及び遮断を切り換えるスイッチング手段と、前記点火コイルの二次側に接続され、前記スイッチング手段による一次電流の遮断に伴い発生する二次側高電圧に応じて火花放電を起こすことにより、シリンダ内の混合気を着火せしめる点火プラグと、を有する内燃機関においてノックを検出する装置であって、
前記点火コイル二次側を含まずかつ前記点火プラグを含む閉回路に電圧を印加し、混合気の燃焼時にシリンダ内に発生するイオンを介して前記点火プラグに流れるイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
放電ノイズが発生しうる期間において前記イオン電流検出手段の出力信号をマスクするマスク手段と、
前記マスク手段の出力信号から10〜18kHzのみの周波数成分を抽出するバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号に基づいてノックの有無を判定するノック判定手段と、
を具備する、内燃機関のノック検出装置。
An ignition coil, switching means connected to the primary side of the ignition coil and switching between energization and interruption of the primary current, and connected to the secondary side of the ignition coil and generated when the primary current is interrupted by the switching means. A device for detecting knock in an internal combustion engine having an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in a cylinder by causing a spark discharge in response to a secondary high voltage,
Ion current detection for detecting an ionic current flowing through the spark plug through ions generated in the cylinder when the air-fuel mixture burns by applying a voltage to a closed circuit not including the ignition coil secondary side and including the spark plug Means,
Mask means for masking an output signal of the ion current detection means in a period in which discharge noise may occur;
A bandpass filter that extracts only a frequency component of 10 to 18 kHz from the output signal of the mask means;
Knock determination means for determining the presence or absence of knock based on the output signal of the bandpass filter;
A knock detection device for an internal combustion engine, comprising:
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