JP4324158B2 - 内燃機関の点火時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火時期制御装置に関し、特に、ノッキングの有無に応じて点火時期を制御する技術に関する。

従来より、内燃機関のノッキングの有無を判定する技術が知られている。たとえば、内燃機関より検出される振動の強度が、ノッキングの判定値より大きいか否かによりノッキングの有無を判定する技術がある。この技術において検出される振動の強度には、内燃機関自体の機械振動が含まれる。内燃機関自体の機械振動は、内燃機関の回転数により変化する。したがって、ノッキング判定の精度を向上させるためには、内燃機関の回転数により変化する内燃機関自体の機械振動を考慮したノッキング判定を行なう必要がある。

特開平８−４５８０号公報（特許文献１）は、エンジン回転数の変化に対する追従性を損なうことなくノッキングの判定を行なうことができる内燃機関のノッキング判定装置を開示する。特許文献１に記載の内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関の振動を検出して電気信号レベルに変換するノックセンサと、ノックセンサからの電気信号の強度を機関回転数で補正する強度補正装置と、強度補正装置で補正された強度補正値を加重平均し、加重平均値をバックグランドレベルとして更新設定するバックグランドレベル設定装置と、強度補正装置で補正された強度補正値とバックグランドレベル設定装置によって設定されたバックグランドレベルとに応じて内燃機関のノッキングであるか否かを判定をするノッキング判定装置とを含む。

この公報に記載の内燃機関のノッキング判定装置によれば、機関の振動の振幅が機関回転数に比例することを考慮し、ノッキングの判定の基準となるバックグランドレベルやノックセンサからの強度信号を機関回転数で補正した強度としている。すなわち、判定の基準となるバックグランドレベルが回転数の影響によるレベル変動を受けない値とすることにより、機関のあらゆる回転数にも対応したノッキングの判定を行なうことができる。したがって、エンジン回転が急激に上昇または下降するような機関の過渡時にも、エンジン回転の変化に対する追従性を損なうことなくノッキングの判定を行なうことができる。
特開平８−４５８０号公報

しかしながら、ノッキングの判定の基準となるバックグランドレベルは、内燃機関自体の機械振動に加えて、ノッキングに起因した振動を含む内燃機関の振動から検出される電気信号に基づいて設定される。そのため、バックグランドレベルには、内燃機関自体の機械振動の強度に加えて、ノッキングに起因した振動の強度の影響が含まれる。これにより、特開平８−４５８０号公報に記載の内燃機関のノッキング判定装置においては、ノッキングが発生しているか否かによって、バックグランドレベルが変動する。このように、ノッキングの判定の基準となるバックグランドレベルが変動するため、ノッキングが発生していても、ノッキング判定が適切に行なわれないおそれがある。そのため、ノッキング発生時における点火遅角や、ノッキング不発生時における点火進角を適切に行なうことができないおそれがあるという問題点があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、点火時期を適切に制御することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置は、内燃機関の振動の強度に関する第１の値を検出するための検出手段と、第１の値に基づいて中央値および標準偏差を算出するための手段と、標準偏差と予め定められた定数との積を、中央値から減算することにより、内燃機関の振動の強度に関する第２の値を算出するための第１の算出手段と、第２の値に基づいて、内燃機関の振動の強度に関するノック強度を算出するための第２の算出手段と、ノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、内燃機関の点火時期を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、内燃機関の振動の強度に関する第１の値が検出される。ここで、実際に製造されるエンジンの寸法のばらつき、ノックセンサなどのセンサ類の出力のばらつき、およびノックセンサの劣化などにより、内燃機関で検出される振動の強度の値は、内燃機関の個体ごとに異なる。検出される振動の強度の値に含まれる内燃機関の機械振動の強度の値も、内燃機関の個体ごとに異なる。第１の値は、個々の内燃機関で実際に検出された値であるため、内燃機関の個体ごとに特有な値である。このような第１の値における中央値および標準偏差が算出される。ノッキングが頻発するような運転状況では、ノッキングが発生していない運転状況と比較して、振動の強度がより大きい値が多く検出される。そのため、中央値および標準偏差は、より大きな値となる。本発明に係る内燃機関の点火時期制御装置では、標準偏差に予め定められた定数（たとえば「１」）を乗算した値を中央値から減算して、第２の値が算出される。このように算出された第２の値は、ノッキングの影響をほとんど受けない安定した値となる。そのため、第２の値は、個々の内燃機関特有の機械振動の強度を表わす値と擬似できる。このような第２の値に基づいて、ノック強度が算出される。たとえば、内燃機関で検出される振動の強度に関する値を、第２の値で除算して、ノック強度が算出される。これにより、機械振動の強度を表わす第２の値を基準とした相対的な値として、内燃機関特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わすノック強度を得ることができる。このようなノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、点火時期が制御される。たとえば、ノック強度と予め定められた判定値とを比較することによりノッキングが発生したか否かを判定し、判定結果に基づいて点火時期が遅角されたり、進角されたりする。このとき、ノック強度は、内燃機関特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わすように、機械振動の強度を表わす値と擬似できる第２の値を用いて算出されているので、ノッキングの有無を精度よく判別し、点火時期の遅角や進角を適切に行なうことができる。その結果、点火時期を適切に制御することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、標準偏差は、中央値より小さい第１の値における標準偏差である。

第２の発明によると、標準偏差は、第１の値に基づいて算出される中央値より小さい第１の値における標準偏差である。ノッキングが発生した場合、ノッキングが発生していない場合と比較して、中央値および中央値より小さい第１の値における標準偏差はより大きくなる。大きくなった標準偏差に予め定められた定数を乗算した値を、大きくなった中央値から減算して、第２の値が算出される。このように算出された第２の値は、ノッキングが発生していない場合の第２の値とほぼ同じ安定した値となる。そのため、第２の値を、ノッキングによる影響をほとんど受けない安定した値とすることができる。これにより、第２の値は、ノッキングによる影響をほとんど受けない、内燃機関特有の機械振動の強度を表わす値と擬似できる。このような第２の値に基づいて、ノック強度が算出される。たとえば、内燃機関で検出される振動の強度に関する値を、第２の値で除算して、ノック強度が算出される。これにより、機械振動の強度を表わす第２の値を基準とした相対的な値として、内燃機関特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わすノック強度を得ることができる。このようなノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、点火時期が制御される。たとえば、ノック強度と予め定められた判定値とを比較することによりノッキングが発生したか否かを判定し、判定結果に基づいて点火時期が遅角されたり、進角されたりする。このとき、ノック強度は、内燃機関特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わすように、ノッキングによる影響をほとんど受けない、機械振動の強度を表わす値と擬似できる第２の値を用いて算出されているので、ノッキングの有無を精度よく判別し、点火時期の遅角や進角を適切に行なうことができる。

第３の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置は、第１または第２の発明の構成に加えて、内燃機関の振動の強度に関する第３の値を検出するための手段をさらに含む。第２の算出手段は、第３の値を第２の値により除算することにより補正して、ノック強度を算出するための手段を含む。

第３の発明によると、内燃機関の振動の強度に関する第３の値が検出される。第３の値は、第１の値と同様に、個々の内燃機関で実際に検出された値であるため、内燃機関の個体ごとに特有な値である。内燃機関の機械振動の強度は、内燃機関の負荷が大きいほど大きくなり、内燃機関の回転速度が高いほど大きくなる。そのため、第１の値および第３の値は、内燃機関の負荷が大きいほど大きくなり、内燃機関の回転速度が高いほど大きくなる。また、第１の値から算出される第２の値も、内燃機関の負荷や回転速度によって変動する。このような第２の値で、第３の値を除算することにより補正して、ノック強度が算出される。これにより、変動する機械振動の強度を表わす第２の値を基準とした相対的な値として、内燃機関特有の変動する機械振動以外の要因による振動の強度を表わすノック強度を得ることができる。このようなノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、点火時期が制御される。たとえば、ノック強度と予め定められた判定値とを比較することによりノッキングが発生したか否かを判定し、判定結果に基づいて点火時期が遅角されたり、進角されたりする。このとき、ノック強度は、内燃機関特有の変動する機械振動以外の要因による振動の強度を表わすように、変動する機械振動の強度を表わす値と擬似できる第２の値を用いて算出されているので、ノッキングの有無を精度よく判別し、点火時期の遅角や進角を適切に行なうことができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る点火時期制御装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。本実施の形態に係る点火時期制御装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。

エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。点火時期は、出力トルクが最大になるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）になるように制御されるが、ノッキングが発生した場合など、エンジン１００の運転状態に応じて遅角されたり、進角されたりする。

混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。

エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２と、エアフローメータ３１４とが接続されている。

ノックセンサ３００は、エンジン１００のシリンダブロックに設けられる。ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。

タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランプポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角およびクランクシャフト１１０の回転数を検出する。

スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。エアフローメータ３１４は、エンジン１００に吸入される空気量を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。

エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、メモリ２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。

ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。ノッキングに起因して発生する振動の周波数は一定ではなく、所定の帯域幅を有する。そのため、本実施の形態においては、図２に示すように、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃに含まれる振動を検出する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。なお、ノッキングに起因して発生する振動の周波数帯は３つに限られない。

図３を参照して、エンジンＥＣＵ２００についてさらに説明する。エンジンＥＣＵ２００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４００と、バンドパスフィルタ（１）４１０と、バンドパスフィルタ（２）４２０と、バンドパスフィルタ（３）４３０と、積算部４５０とを含む。

Ａ／Ｄ変換部４００は、ノックセンサ３００から送信されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。バンドパスフィルタ（１）４１０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第１の周波数帯Ａの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（１）４１０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第１の周波数帯Ａの振動のみが抽出される。

バンドパスフィルタ（２）４２０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第２の周波数帯Ｂの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（２）４２０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第２の周波数帯Ｂの振動のみが抽出される。

バンドパスフィルタ（３）４３０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第３の周波数帯Ｃの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（３）４３０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第３の周波数帯Ｃの振動のみが抽出される。

積算部４５０は、バンドパスフィルタ（１）４１０〜バンドパスフィルタ（３）４３０により選別された信号、すなわち振動の強度を、クランク角度で５度分づつ積算する。以下、積算された値を積算値と表わす。積算値の算出は、周波数帯ごとに行なわれる。この積算値の算出により、各周波数帯における振動波形が検出される。

さらに、算出された第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値は、クランク角度に対応して加算される。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動波形が合成される。

これにより、図４に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形が、エンジン１００の振動波形として用いられる。

検出された振動波形は、図５に示すようにエンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２に記憶されたノック波形モデルと比較される。ノック波形モデルは、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルとして予め作成される。

ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。

本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の振動に対応している。なお、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。

ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。

ノック波形モデルは、エンジン１００の寸法やノックセンサ３００の出力値が、寸法公差やノックセンサ３００の出力値の公差の中央値であるエンジン１００（以下、特性中央エンジンと記載する）を用いて作成される。すなわち、ノック波形モデルは、特性中央エンジンに強制的にノッキングを発生させた場合における振動波形である。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られず、その他、シミュレーションにより作成してもよい。

検出された波形とノック波形モデルとの比較においては、図６に示すように、正規化された波形とノック波形モデルとが比較される。ここで、正規化とは、たとえば、検出された振動波形における積算値の最大値で各積算値で除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことである。なお、正規化の方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出する。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとの偏差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより、相関係数Ｋが算出される。

正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、上死点から９０度までのΔＳ（Ｉ）の総和である。本実施の形態において、相関係数Ｋは、振動波形の形状がノック波形モデルの形状に近いほど、大きな値として算出される。したがって、振動波形にノッキング以外の要因による振動の波形が含まれた場合、相関係数Ｋは小さく算出される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

また、エンジンＥＣＵ２００は、積算値の最大値（ピーク値）に基づいて、ノック強度Ｎを算出する。積算値の最大値をＰと、積算値の最大値Ｐを対数変換した値を強度値ＬＯＧ（Ｐ）と、エンジン１００特有の機械振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝ＬＯＧ（Ｐ）／ＢＧＬという方程式で算出される。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ＢＧＬを用いて算出されるノック強度Ｎとメモリ２０２に記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較し、さらに検出された波形と記憶されたノック波形モデルとを比較し、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定する。図７に示すように、判定値Ｖ（ＫＸ）は、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとするマップとして記憶される。判定値Ｖ（ＫＸ）の初期値には、予め実験などにより定められる値が用いられる。

ところで、ノックセンサ３００の出力値のばらつきや劣化などにより、エンジン１００で同じ振動が生じた場合であっても、検出される強度が変化し得る。したがって、判定値Ｖ（ＫＸ）を補正し、実際に検出される強度に応じた判定値Ｖ（ＫＸ）を用いてノッキングが発生したか否かを判定する必要がある。

そこで、本実施の形態においては、強度Ｖを対数変換した値である強度値ＬＯＧ（Ｖ）と、各強度値ＬＯＧ（Ｖ）が検出された頻度（回数、確率ともいう）との関係を示す頻度分布に基づいて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される。

エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとする領域ごとに強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出される。強度値ＬＯＧ（Ｖ）を算出するために用いられる強度Ｖは、予め定められたクランク角の間における強度のピーク値（５度ごとの積算値のピーク値）である。算出される強度ＬＯＧ（Ｖ）に基づいて、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度を最小値から累積して５０％になる中央値Ｖ（５０）が算出される。また、中央値Ｖ（５０）以下の強度値ＬＯＧ（Ｖ）における標準偏差σが算出される。たとえば、本実施の形態においては、複数（たとえば２００サイクル）の強度値ＬＯＧ（Ｖ）に基づいて算出される中央値および標準偏差と近似した中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが、以下の算出方法により１点火サイクルごとに算出される。

今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも大きい場合、前回算出された中央値Ｖ（５０）に予め定められた値Ｃ（１）を加算した値が、今回の中央値Ｖ（５０）として算出される。逆に、今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも小さい場合、前回算出された中央値Ｖ（５０）から予め定められた値Ｃ（２）（たとえばＣ（２）はＣ（１）と同じ値）を減算した値が、今回の中央値Ｖ（５０）として算出される。

今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも小さく、かつ前回算出された中央値Ｖ（５０）から前回算出された標準偏差σを減算した値よりも大きい場合、前回算出された標準偏差σから予め定められた値Ｃ（３）を２倍した値を減算した値が、今回の標準偏差σとして算出される。逆に、今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも大きい場合、または前回算出された中央値Ｖ（５０）から前回算出された標準偏差σを減算した値よりも小さい場合、前回算出された標準偏差σに予め定められた値Ｃ（４）（たとえばＣ（４）はＣ（３）と同じ値）を加算した値が、今回の標準偏差σとして算出される。なお、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σの算出方法はこれに限定されない。また、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σの初期値は、予め設定された値であってもよいし、「０」であってもよい。

中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを用いて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される。図８に示すように、中央値Ｖ（５０）に係数Ｕ（１）（Ｕ（１）は定数で、たとえばＵ（１）＝３）と標準偏差σとの積を加算した値が、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）となる。なお、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）の算出方法はこれに限らない。ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度が、ノッキングが発生した頻度として判定され、ノッキングが発生した頻度に基づいて判定値Ｖ（ＫＸ）が補正される。

係数Ｕ（１）は、実験などより得られたデータや知見から求められた係数である。Ｕ（１）＝３とした場合のノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、実際にノッキングが発生した点火サイクルにおける強度値ＬＯＧ（Ｖ）と略一致する。なお、係数Ｕ（１）に「３」以外の値を用いるようにしてもよい。

強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布においては、エンジン１００においてノッキングが発生していなければ、図９に示すように正規分布となり、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の最大値Ｖ（ＭＡＸ）とノック判定レベルＶ（ＫＤ）とが一致する。一方、ノッキングが発生することにより、検出される強度Ｖが大きくなり、大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出されると、図１０に示すように、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも最大値Ｖ（ＭＡＸ）が大きくなる。

さらにノッキングが発生する頻度が大きくなると、図１１に示すように最大値Ｖ（ＭＡＸ）はさらに大きくなる。このとき、頻度分布における中央値Ｖ（５０）および標準偏差σは、最大値Ｖ（ＭＡＸ）とともに大きくなる。そのため、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が大きくなる。

ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも小さい強度値ＬＯＧ（Ｖ）は、ノッキングが発生したサイクルにおける強度値ＬＯＧ（Ｖ）とは判定されないため、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が大きくなると、それだけ、ノッキングが発生していても、ノッキングが発生していないと判定される頻度が高くなる。

そこで、本実施の形態においては、図１２で示すように、破線で囲まれる領域内の強度値ＬＯＧ（Ｖ）を用いることで、しきい値Ｖ（１）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）を除外して中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが算出される。図１２は、算出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）を、その強度値ＬＯＧ（Ｖ）が得られたサイクルにおける相関係数Ｋごとにプロットした図である。

しきい値Ｖ（１）は、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布の中央値に、中央値以下の強度値ＬＯＧ（Ｖ）における標準偏差と係数Ｕ（２）（Ｕ（２）は定数で、たとえばＵ（２）＝３）との積を加算した値である。

しきい値Ｖ（１）より小さい強度値ＬＯＧ（Ｖ）のみを抽出して中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出することにより、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が過大になることを抑制することができる。そのため、ノッキングが発生していても、ノッキングが発生していないと判定される頻度が高くなることを抑制することができる。

なお、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出するために用いられる強度値ＬＯＧ（Ｖ）の抽出方法は、これに限らない。たとえば、前述のしきい値Ｖ（１）よりも小さい強度値ＬＯＧ（Ｖ）のうち、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（１）より大きい点火サイクルにおいて算出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）を抽出するようにしてもよい。

図１３を参照して、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００が、ノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定して点火時期を制御するために実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥを検出するとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬを検出する。

Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度を検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表わす値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（積算値）を算出する。積算値の算出は、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動ごとに行なわれる。さらに第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値が、クランク角度に対応して加算されて、エンジン１００の振動波形が検出される。

Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形（エンジン１００の振動波形）における積算値のうち、最も大きい積算値（ピーク値Ｐ）を算出する。

Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、算出されたピーク値で、各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことをいう。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出する。

Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、算出された積算値のピーク値Ｐを対数変換した強度値ＬＯＧ（Ｐ）を算出する。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。ノック強度Ｎは、前述したように、Ｎ＝ＬＯＧ（Ｐ）／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬの算出方法は後述する。

Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きいか否かを判別する。相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、処理はＳ１１８に移される。そうでない場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、処理はＳ１２２に移される。

Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生したと判定する。Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１２４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。

図１４を参照して、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００が、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出して、ＢＧＬを算出するとともに、判定値Ｖ（ＫＸ）を補正するために実行するプログラムの制御構造について説明する。

Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて検出される強度Ｖから、強度値ＬＯＧ（Ｖ）を算出する。ここで、強度Ｖは、予め定められたクランク角の間におけるピーク値（５度ごとの積算値のピーク値）である。

Ｓ２０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前述のしきい値Ｖ（１）より小さいか否かを判別する。強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前述のしきい値Ｖ（１）より小さい場合（Ｓ２０２にてＹＥＳ）、処理はＳ２０４に移される。そうでない場合（Ｓ２０２にてＮＯ）、処理はＳ２００に戻される。

Ｓ２０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、抽出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）について、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出する。

Ｓ２０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ＢＧＬを算出する。ＢＧＬは、標準偏差σと係数Ｕ（３）（Ｕ（３）は定数で、たとえばＵ（３）＝１）との積を、中央値Ｖ（５０）から減算した値として算出される。係数Ｕ（３）は、実験などにより得られたデータや知見から求められた係数である。算出されたＢＧＬは、前述のＳ１１４で使用される。なお、ＢＧＬの算出方法はこれに限らない。

Ｓ２０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）を算出する。Ｓ２１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、抽出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）のうちの、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合を、ノック占有率ＫＣとしてカウントする。

Ｓ２１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きいか否かを判定する。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きい場合（Ｓ２１２にてＹＥＳ）、処理はＳ２１４に移される。そうでない場合（Ｓ２１２にてＮＯ）、処理はＳ２１６に移される。Ｓ２１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を小さくする。Ｓ２１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を大きくする。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

エンジン１００の運転中において、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥが検出されるとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬが検出される（Ｓ１００）。また、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１０２）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動ごとに算出される（Ｓ１０４）。算出された第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値がクランク角度に対応して加算され、前述した図４に示すようなエンジン１００の振動波形が検出される。

５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、振動の強度が細かく変化する複雑な形状の振動波形が検出されることを抑制することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。

算出された積算値に基づいて、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形（エンジン１００の振動波形）における積算値のピーク値Ｐが算出される（Ｓ１０６）。

算出されたピーク値Ｐでエンジン１００の振動波形における積算値が除算されて、振動波形が正規化される（Ｓ１０８）。正規化により、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。これにより、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。

正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ（図６参照）、この状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１０）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。また、振動波形とノック波形モデルとを比較することで、振動の減衰傾向など、振動の挙動からノッキング時の振動であるか否かを分析することができる。

また、相関係数Ｋの他に、積算値のピーク値Ｐを対数変換した強度値ＬＯＧ（Ｐ）が算出され（Ｓ１１２）、強度値ＬＯＧ（Ｐ）をエンジン１００特有の機械振動の強度を表わす値であるＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１４）。これにより、ノック強度Ｎは、ＢＧＬを基準として、エンジン１００特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わす相対的な値として算出される。

ところで、実際のエンジン１００の機械振動の強度は、ノッキングの有無による変動がほとんどない。その一方、エンジン１００の個体ごとに異なり、エンジン１００の負荷や回転速度によって変動するという特性がある。したがって、ノック強度Ｎを、エンジン１００の機械振動以外の要因による振動の強度を表わす値として精度よく算出するためには、これらの実際のエンジン１００の機械振動の特性を反映したＢＧＬを算出する必要がある。

そこで、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとする領域ごとに、個々のエンジン１００の実際の運転状況において検出された強度Ｖに基づいて、強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出される（Ｓ２００）。算出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、前述のしきい値Ｖ（１）より小さい場合（Ｓ２０２にてＹＥＳ）、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが算出される（Ｓ２０４）。

図１５に示すように、ノッキングが発生した場合に算出される強度値ＬＯＧ（Ｖ）は、ノッキングが発生していない状態における内燃機関の振動の強度分布の上限の振動強度よりも大きくなる。そのため、ノッキングが頻発している状態の強度ＬＯＧ（Ｖ）における中央値Ｖ（５０）および標準偏差σは、ノッキングが頻発していない状態の強度ＬＯＧ（Ｖ）における中央値Ｖ（５０）および標準偏差σより大きな値となる。これにより、標準偏差σと係数Ｕ（３）との積を、中央値Ｖ（５０）から減算した値は、ノッキングの有無による変動がほとんどない安定した値となる。

また、図１６に示すように、中央値Ｖ（５０）は、エンジン１００の機械振動の強度が小さい場合よりも、エンジン１００の機械振動の強度が大きい場合のほうが、より大きな値となる。振動強度分布の形状は、エンジン１００の機械振動の強度が小さい場合も大きい場合も、ほぼ同じ形状になる。そのため、標準偏差σは、エンジン１００の機械振動の強度が小さい場合も大きい場合も、ほぼ同じ値となる。これにより、標準偏差σと係数Ｕ（３）との積を、中央値Ｖ（５０）から減算した値は、エンジン１００の負荷や回転速度によって変動する機械振動の強度によって変動する、エンジン１００の個体ごとに特有な値となる。

そこで、標準偏差σと係数Ｕ（３）との積を、中央値Ｖ（５０）から減算した値が、ＢＧＬとして算出される（Ｓ２０６）。このように算出されたＢＧＬは、前述のように、ノッキングの有無による変動がほとんどない安定した値となる。また、エンジン１００の負荷や回転速度によって変動する機械振動の強度によって変動する、エンジン１００の個体ごとに特有な値となる。そのため、実際のエンジン１００のの機械振動の特性を反映したＢＧＬを得ることができる。すなわち、ＢＧＬを、エンジン１００特有の機械振動の強度を表わす値として擬似することができる。そこで、ＢＧＬで、実際に検出された強度値ＬＯＧ（Ｐ）を除算してノック強度Ｎが算出される。これにより、ノック強度Ｎを、エンジン１００の機械振動以外の要因による振動の強度を表わす値として精度よく算出することができる。

算出された相関係数Ｋとノック強度Ｎとに基づいて、１点火サイクルごとにノッキングが発生したか否かが判定され、点火時期が遅角されたり、進角されたりする。相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１８）、点火時期が遅角される（Ｓ１２０）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい状態ではない場合（Ｓ１１６にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２２）、点火時期が進角される（Ｓ１２４）。

このとき、ノック強度Ｎは、エンジン１００特有の機械振動以外の要因による振動の強度を表わすように、エンジン１００特有の機械振動の強度を表わす値と擬似できるＢＧＬで強度値ＬＯＧ（Ｐ）を除算して精度よく算出されている。そのため、ノッキングの有無を精度よく判別し、点火時期の遅角や進角を適切に行なうことができる。

ところで、ノックセンサ３００の出力値のばらつきや劣化などにより、エンジン１００で同じ振動が生じた場合であっても、検出される強度が変化し得る。そのため、ノック強度Ｎの値も変化する。したがって、判定値Ｖ（ＫＸ）を補正し、実際に検出される強度に応じた判定値Ｖ（ＫＸ）を用いてノッキングが発生したか否かを判定する必要がある。

そこで、前述のＢＧＬの算出に用いられた中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される（Ｓ２０８）。判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合が、ノック占有率ＫＣとしてカウントされる（Ｓ２１０）。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きい場合（Ｓ２１２にてＹＥＳ）、許容され得る頻度よりも多い頻度でノッキングが発生しているといえる。この場合、ノッキングが発生していると判定し易くするため、判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくされる（Ｓ２１４）。これにより、ノッキングが発生したと判定される頻度を高め、点火時期を遅角してノッキングの発生を抑制することができる。

一方、ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも小さい場合（Ｓ２１２にてＮＯ）、ノッキングの発生頻度が許容値以内であるといえる。この場合、エンジン１００の出力をさらに高めてもよい状態であるといえる。そのため、判定値Ｖ（ＫＸ）が大きくされる（Ｓ２１６）。そのため、１点火サイクルごとのノッキング判定における判定値を適切な値にして、点火時期を適切にすることができる。

以上のように、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵによれば、個々のエンジンの実際の運転状況において検出された強度Ｖに基づいて、中央値および標準偏差が算出される。標準偏差と予め定められた係数との積を、中央値から減算して、エンジンの機械振動の強度を表わす値であるＢＧＬが算出される。ここで、算出されたＢＧＬは、ノッキングの有無による変動がほとんどない。その一方、エンジンの個体ごとに異なり、エンジンの負荷や回転速度によって変動する。そのため、ＢＧＬは、実際のエンジンの機械振動の強度の特性を反映した、エンジン特有の機械振動の強度を表わす値として擬似することができる。このようなＢＧＬで、実際に検出された強度値ＬＯＧ（Ｐ）を除算してノック強度が算出される。これにより、ノック強度を、エンジンの機械振動以外の要因による振動の強度を表わす値として精度よく算出することができる。このようなノック強度と判定値Ｖ（ＶＫ）とを比較することにより、ノッキングの判定が行なわれる。そのため、ノッキングの有無を精度よく判定することができる。ノッキングの判定結果に基づいて、エンジンの点火時期が制御される。これにより、エンジンの点火時期を適切に制御することができる。

なお、図１７に示すように、ノイズによる振動の強度が大きい場合は、ノッキング時の積算値の最大値とノイズによる積算値の最大値との差が小さく、ノック強度Ｎからはノッキングとノイズとを区別し難くなるおそれがある。そのため、積算値のピーク値Ｐの代わりに、図１８に示すように、振動波形における積算値の総合計（ノック検出ゲートにおけるノックセンサ３００の出力電圧値をすべて積算した値）を用いてノック強度Ｎを算出するようにしてもよい。すなわち、振動波形における積算値の総合計をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎを算出するようにしてもよい。

図１８に示すように、ノイズによる振動の発生期間は、ノッキングによる振動の発生期間よりも短いので、ノッキングとノイズとでは、積算値の総合計は大きく異なり得る。したがって、積算値の総合計に基づいてノック強度Ｎを算出することにより、ノッキング時に算出されるノック強度Ｎと、ノイズにより算出されるノック強度Ｎとの差を大きくすることができる。これにより、ノッキングによる振動とノイズによる振動とを明確に区別することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵにより制御されるエンジンを示す概略構成図である。 ノッキング時にエンジンで発生する振動の周波数帯を示す図である。 図１のエンジンＥＣＵを示す制御ブロック図である。 エンジンの振動波形を示す図である。 エンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図である。 エンジンＥＣＵのメモリに記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）のマップを示す図である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その１）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その２）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その３）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その４）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を作成するために用いられる強度値ＬＯＧ（Ｖ）を示す図である。 図１のエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その１）である。 図１のエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その２）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その５）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その６）である。 ノッキング時の積算値とノイズによる積算値とを示す図（その１）である。 ノッキング時の積算値とノイズによる積算値とを示す図（その２）である。

符号の説明

１００ エンジン、１０４ インジェクタ、１０６ 点火プラグ、１１０ クランクシャフト、１１６ 吸気バルブ、１１８ 排気バルブ、１２０ ポンプ、２００ エンジンＥＣＵ、３００ ノックセンサ、３０２ 水温センサ、３０４ タイミングロータ、３０６ クランクポジションセンサ、３０８ スロットル開度センサ、３１４ エアフローメータ。

Claims (3)

1. 内燃機関の点火時期制御装置であって、
   前記内燃機関の振動の強度を対数変換した第１の値を検出するための検出手段と、
   前記第１の値に基づいて、前記第１の値の中央値および標準偏差を算出するための手段と、
   前記標準偏差と予め定められた定数との積を、前記中央値から減算することにより、前記内燃機関の振動の強度に関する第２の値を算出するための第１の算出手段と、
   前記第１の値を前記第２の値で除算することにより、前記内燃機関の振動の強度に関するノック強度を算出するための第２の算出手段と、
   前記ノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関の点火時期を制御するための制御手段とを含む、内燃機関の点火時期制御装置。
2. 内燃機関の点火時期制御装置であって、
   第１のクランク角から第２のクランク角までの区間における前記内燃機関の振動の強度を対数変換した第１の値を検出するための検出手段と、
   前記第１の値に基づいて、前記第１の値の中央値および標準偏差を算出するための手段と、
   前記標準偏差と予め定められた定数との積を、前記中央値から減算することにより、前記内燃機関の振動の強度に関する第２の値を算出するための第１の算出手段と、
   第１のクランク角から第２のクランク角までの区間における前記内燃機関の振動の強度を積算することにより得られる値を対数変換した第３の値を前記第２の値で除算することにより、前記内燃機関の振動の強度に関するノック強度を算出するための第２の算出手段と、
   前記ノック強度と予め定められた値とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関の点火時期を制御するための制御手段とを含む、内燃機関の点火時期制御装置。
3. 前記標準偏差は、しきい値より小さい第１の値における標準偏差である、請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。

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