JP4397346B2 - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定する内燃機関のノッキング判定装置に関する。

従来より、内燃機関のノッキングを検出する技術が知られている。特開２００１−２２７４００号公報（特許文献１）は、ノッキングの発生の有無を正確に判定することができる内燃機関用ノック制御装置を開示する。特許文献１に記載の内燃機関用ノック制御装置は、内燃機関で発生する振動波形信号を検出する信号検出部と、信号検出部で検出された振動波形信号が予め定められた値以上となる期間を発生期間として検出する発生期間検出部と、発生期間検出部で検出された発生期間におけるピーク位置を検出するピーク位置検出部と、発生期間とピーク位置との関係に基づき内燃機関におけるノック発生の有無を判定するノック判定部と、ノック判定部による判定結果に応じて内燃機関の運転状態を制御するノック制御部とを含む。ノック判定部は、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるときにはノック（ノッキング）発生有りと判定する。

この公報に記載の内燃機関用ノック制御装置によれば、内燃機関で発生する振動波形信号が信号検出部で検出され、その振動波形信号が予め定められた値以上となる発生期間とそのピーク位置とが発生期間検出部およびピーク位置検出部でそれぞれ検出される。このように、振動波形信号の発生期間のどの位置でピークが発生しているかが分かることで内燃機関におけるノック発生の有無がノック判定部にて判定され、このノック判定結果に応じて内燃機関の運転状態が制御される。ノック判定部では、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるとき、即ち、振動波形信号の予め定められた長さの発生期間に対してピーク位置が早めに現われるような波形形状であるときには、ノック発生時に特有のものであると認識される。これにより、内燃機関の運転状態が急変する過渡時や電気負荷のＯＮ／ＯＦＦ時においても、内燃機関におけるノック発生の有無が正確に判定され、内燃機関の運転状態を適切に制御することができる。
特開２００１−２２７４００号公報

しかしながら、ノッキングが発生した場合であっても、ノッキングに起因した振動よりも大きい強度の振動がノイズとして検出される場合がある。すなわち、ノックセンサの異常や内燃機関自体の振動に起因した振動の強度が、ノッキングに起因した振動の強度よりも大きい場合がある。このような場合、特開２００１−２２７４００号公報に記載の内燃機関用ノック制御装置では、ノッキングが発生しているにも関わらず、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲外にあるため、ノッキングが発生していないと誤判定される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、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することである。

第１の発明に係るノッキング判定装置は、内燃機関のノッキングを判定する。このノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、ノッキングに対応する振動の波形であって、内燃機関の運転状態および種類に応じて変化しない１つの波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と、記憶手段に記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第１の発明によると、クランク角検出手段が内燃機関のクランク角を検出し、波形検出手段が、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶手段が、ノッキングに対応する振動の波形であって、内燃機関の運転状態および種類に応じて変化しない１つの波形を予め記憶する。検出された波形と、記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば、運転状態および種類に応じて変化しない１つのノッキングに対応する振動の波形が特定できる場合には、実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、内燃機関の振動の大きさに加え、振動が発生するクランク角に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。また、ノック波形モデルは、ノッキングに特有の形状を有し、内燃機関の運転状態および種類に応じて変化しない１つの波形である。そのため、内燃機関の運転状態および種類に応じて、複数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなくなるため、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。また、内燃機関の種類に応じて複数のノック波形モデルを設定する必要がないため、それらの設定に要する時間を短縮することができる。したがって、予め記憶しておくデータ量を低減しつつ、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。

第２の発明に係るノッキング判定装置は、内燃機関のノッキングを判定する。このノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の運転状態に対応した複数の内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と、記憶手段に記憶された複数の波形のうち内燃機関の運転状態に対応する波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第２の発明によると、クランク角検出手段が内燃機関のクランク角を検出し、波形検出手段が、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶手段が、内燃機関の運転状態（たとえば、クランクシャフトの回転数）に対応した複数の内燃機関の振動の波形を記憶する。検出された波形と、記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば、実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であって、運転状態に対応した複数のノック波形モデルを予め作成して記憶しておく。検出された波形と、記憶された複数のノック波形モデルのうち運転状態に対応する波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。ノッキングに対応する振動は、内燃機関の時間とともに変化する運転状態に応じて、その傾向が異なる場合がある。したがって、内燃機関の運転状態に対応する複数のノック波形モデルを記憶しておくことにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。

第３の発明に係るノッキング判定装置は、第２の発明の構成に加えて、内燃機関の出力軸の回転数を検知するための検知手段をさらに含む。記憶手段は、回転数に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含む。判定手段は、検出された波形と、記憶手段に記憶され、検知された回転数に対応する波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。

第３の発明によると、記憶手段は、たとえば、実験などにより、内燃機関の出力軸（エンジンのクランクシャフト）の回転数に対応した複数の振動の波形を記憶する。検出された波形と、記憶された複数の波形のうち、検知された回転数に対応する波形とを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第４の発明に係るノッキング判定装置は、第２の発明の構成に加えて、内燃機関の負荷率を検知するための負荷率検知手段をさらに含む。記憶手段は、負荷率に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含む。判定手段は、検出された波形と、記憶手段に記憶され、検知された負荷率に対応する波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。

第４の発明によると、記憶手段は、たとえば、実験などにより、内燃機関の負荷率に対応した複数の振動の波形を記憶する。検出された波形と、記憶された複数の波形のうち、検知された負荷率に対応する波形とを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第５の発明に係るノッキング判定装置は、第２の発明の構成に加えて、内燃機関の出力軸の回転数を検知するための回転数検知手段と、内燃機関の負荷率を検知するための負荷率検知手段とをさらに含む。記憶手段は、回転数および負荷率に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含む。判定手段は、検出された波形と、記憶手段に記憶され、検知された回転数および負荷率に対応する波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。

第５の発明によると、記憶手段は、たとえば、実験などにより、内燃機関の出力軸（エンジンのクランクシャフト）の回転数および負荷率に対応した複数の振動波形を記憶する。検出された波形と、記憶された複数の波形のうち、検知された回転数および負荷率に対応する波形とを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第６の発明に係るノッキング判定装置においては、第１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形である。第１の角度および第２の角度は、振動の波形のピーク値に対応する角度よりも共に大きい角度であるか小さい角度であるかのいずれかである。

第６の発明によると、第１の角度および第２の角度が、振動波形のピーク値に対応する角度よりも共に大きい角度であるか小さい角度であるかのいずれかであるとすることにより、振動波形の立ち上がりの部分および減衰の部分のいずれかをノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、検出された波形の立ち上がりの部分および減衰の部分のいずれかの波形とを比較することにより、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。また、ノッキングに対応する振動の特徴的な部分のみをノック波形モデルとして記憶することにより、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。

第７の発明に係るノッキング判定装置においては、第１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形である。区間は、振動の波形のピーク値に対応する角度を含む。

第７の発明によると、記憶手段が、第２の角度と、振動の波形のピーク値に対応する角度である第１の角度との間の区間の波形を記憶しておくことにより、ピーク値を含む振動波形の立ち上がりの部分および減衰の部分の少なくともいずれかの部分を含む波形をノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、対応する区間の波形とを比較することにより、ピーク値を含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。また、ノッキングに対応する振動の特徴的な部分のみをノック波形モデルとして記憶することにより、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。

第８の発明に係るノッキング判定装置においては、第７の発明の構成に加えて、第１の角度は、振動の波形のピーク値に対応する角度である。

第８の発明によると、第１の角度は、振動の波形のピーク値に対応する角度である。すなわち、ピーク値を含む振動の波形の立ち上がりの部分および減衰の部分の少なくともいずれかの部分を含む波形をノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、対応する区間の波形とを比較することにより、ピーク値を含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。

第９の発明に係るノッキング判定装置においては、第８の発明の構成に加えて、第２の角度は、第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である。

第９の発明によると、第２の角度は、振動波形のピーク値に対応する第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である。すなわち、振動波形のピーク値に対応する第１の角度から第２の角度までの区間の波形を記憶しておくことにより、ピーク値を含む振動波形の減衰部分をノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、検出された波形のピーク値を含む減衰の部分の波形とを比較することにより、ピークを含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。

第１０の発明に係るノッキング判定装置は、内燃機関のノッキングを判定する。このノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、ノッキングに対応する振動の波形の振幅の包絡線を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と、記憶された包絡線とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第１０の発明によると、クランク角検出手段が内燃機関のクランク角を検出し、波形検出手段が、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶手段が、ノッキングに対応する振動の波形の振幅の包絡線を予め記憶する。検出された波形と、記憶された包絡線とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば、実験などによりノッキングが発生した場合の振動の波形の振幅の包絡線に基づいてノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、検出された波形と、記憶された包絡線とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、内燃機関の振動の大きさに加え、振動が発生するクランク角に基づいて、ノッキングが発生した否かを判定することができる。また、振動の波形のピーク値以降の振幅の包絡線は、ノッキングに特有の振動の減衰曲線を示すため、検出された波形とノック波形モデルとを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。

第１１の発明に係るノッキング判定装置は、内燃機関のノッキングを判定する。このノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の振動の波形のピーク値に対応する角度以降の予め定められた減衰率を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と、記憶された減衰率に基づく波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。

第１１の発明によると、クランク角検出手段が内燃機関のクランク角を検出し、波形検出手段が、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶手段が、内燃機関の振動の波形のピーク値に対応する角度以降の予め定められた減衰率をを予め記憶する。検出された波形と、記憶された減衰率に基づく波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば、実験などによりノッキングが発生した場合の振動の波形のピーク値に対応する角度以降の減衰率を予め記憶しておき、検出された波形と、記憶された減衰率に基づく波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、内燃機関の振動の大きさに加え、振動が発生するクランク角に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。また、予め定められた減衰率からノッキングに対応する振動のピーク値以降の減衰波形を近似的に算出することができるため、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。あるいは、複数の減衰率を記憶しておくことにより、たとえば、検出された波形と、内燃機関の運転状態に対応する減衰率に基づく波形とを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。

第１２の発明に係るノッキング判定装置においては、第１０または１１の発明の構成に加えて、記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形である。第１の角度は、振動波形のピーク値に対応する角度である。

第１２の発明によると、記憶手段が、第２の角度と、振動の波形のピーク値に対応する角度である第１の角度との間の区間の波形を記憶しておくことにより、ピーク値を含む振動波形の減衰の部分をノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、検出された波形のピーク値を含む減衰の部分の波形とを比較することにより、ピーク値を含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。また、ノッキングに対応する振動の特徴的な部分のみをノック波形モデルとして記憶することにより、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。

第１３の発明に係るノッキング判定装置においては、第１２の発明の構成に加えて、第２の角度は、第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である。

第１３の発明によると、第２の角度は、振動波形のピーク値に対応する第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である。すなわち、振動波形のピーク値に対応する第１の角度から第２の角度までの区間の波形を記憶しておくことにより、ピーク値を含む振動波形の減衰部分をノック波形モデルとすることができる。したがって、ノック波形モデルと、検出された波形のピーク値を含む減衰の部分の波形とを比較することにより、ピークを含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。

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ノッキング判定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ノッキング判定装置は、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。

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とが接続されている。

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。すなわち、ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂ、第３の周波数帯Ｃおよび第４の周波数帯Ｄに含まれる周波数の振動が発生する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。また、ノッキングに起因する振動の周波数を含む周波数帯は４つに限らない。

これらの周波数帯のうち、第４の周波数帯Ｄには、図２において一点鎖線で示すエンジン１００自体の共振周波数が含まれる場合がある。共振周波数の振動は、ノッキングの有無に関わらず発生する。

そのため、本実施の形態においては、共振周波数を含まない第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の強度（大きさ）に基づいて、振動波形を検出する。なお、振動波形の検出に用いられる周波数帯の数は３つに限らない。なお、エンジン自体の共振や機械ノイズの影響の少ないエンジンでは周波数帯を選ばなくてもよい場合がある。また、周波数帯の抽出手段は周知の技術を用いればよい。検出された振動波形は、後述するノック波形モデルと比較される。

ノッキングが発生したか否かを判定するため、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２には、図３の破線に示すように、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形をノック波形モデルとして記憶されている。

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。本実施の形態においては、たとえば、振動強度がピーク値となるクランク角をゼロとしてノック波形モデルがメモリ２０２に記憶されている。

また、ノック波形モデルは、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの合成波（実線）の振幅（振動強度）の包絡線である。包絡線の算出方法は、周知の技術を用いればよく、特に限定されるものではないが、たとえば、予め定められた角度毎に振幅を積算して算出するようにしてもよいし、二乗平均（ＲＭＳ）、ヒルベルト包絡等により算出するようにしてもよい。本実施の形態において、包絡線は、実験等により得られた波形の第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの各周波数帯の振幅を５度毎に積算して、第１の周波数帯から第３の周波数帯までの積算値を合成して算出するものとする。

本実施の形態において、たとえば、図４に示すように、実験等により得られた波形において、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値に対応する角度α（１）から予め定められた角度だけ進めた角度α（２）までの区間の波形（破線）をノック波形モデルとして設定する。なお、ノック波形モデルは、上述した区間に限定されるものではない。たとえば、角度α（１）および角度α（２）は、振動の波形のピーク値に対応する角度よりも共に大きい角度であるか小さい角度であるかのいずれかであってもよく、ノッキングに起因した振動の立ち上がりの部分および減衰の部分のいずれかの部分を含む波形をノック波形モデルとして設定してもよい。あるいは、ノッキングに起因した振動の立ち上がりの部分および減衰の部分の少なくともいずれかの部分を含む波形をノック波形モデルとして設定してもよい。

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。

なお、ノック波形モデルは、上述したような、検出されたノッキングに対応する振動の、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの合成波の振幅の包絡線に特に限定されるものではない。たとえば、予め定められた減衰率に基づいて、ノッキングに対応する振動の減衰部分の近似波形を特定する方程式によりノック波形モデルを算出するようにしてもよい。すなわち、図５に示すように、ノッキングに対応する振動の減衰波形は、減衰率（対数減衰率）をλとして、（振動強度）＝ｅｘｐ（−λ×クランク角）の指数関数の式で近似的に表わすことができる。したがって、メモリ２０２には、減衰率λと上述の式を予め記憶しておけばよい。このようにしても、上述の図４における振動のピーク値に対応する角度α（１）から予め定められた角度だけ進めた角度α（２）までの区間の波形に対応するノック波形モデルを作成できる。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これらに限られない。

エンジンＥＣＵ２００は、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。

本実施の形態において、図６に示すように、ノックセンサ３００により検出された波形のピーク値に対応する角度β（１）から予め定められた角度だけ進めた角度β（２）までをノック波形モデルとの判定区間とする。なお、判定区間は、ノック検出ゲート内の区間であって、上述のノック波形モデルの設定された区間に対応するように定義される。

エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００により検出された波形の第１の周波数Ａから第３の周波数帯Ｃまでの合成波（実線）の振幅の包絡線（破線）を算出する。包絡線の算出方法は、上述のノック波形モデルと同様のため、その詳細な説明は繰返さない。

本発明は、エンジンＥＣＵ２００がメモリ２０２に記憶されたノック波形モデルと、検出された波形とを比較した結果に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する点に特徴を有する。

特に、本実施の形態においては、ノック波形モデルは、エンジン１００の運転状態に対応した複数のノック波形モデルを記憶するものとする。図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ノッキングに対応する振動の波形は、エンジン１００のクランクシャフト１１０の回転数に応じて、異なる傾向を有する。特に、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示す波形の減衰の部分は、回転数が高くなるほど緩やかになる。ノッキングに対応する振動のピーク値以降の減衰は、クランク角に依存する要素と実時間に依存する要素が存在する。そのため、クランクシャフト１１０の回転数の高回転時に、実時間に依存する要素の影響が相対的に大きくなると同時に、クランク角に依存する要素の影響が減少するため、波形の減衰がやや緩やかになる傾向がある。

図８を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵ２００が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、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。

Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表す値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（以下、積算値と記載する）を算出する。積算値の算出は、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動ごとに行なわれる。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、各周波数帯の振動波形を合成する。すなわち、算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の積算値が合成される。これにより、エンジン１００の振動波形の振幅の包絡線が検出される。

Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、合成された振動波形における積算値のうち、最大の積算値を用いて波形の正規化を行なう。ここで、波形の正規化とは、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。なお、各積算値を除算する値は、積算値の最大値に限らない。

Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック波形モデルを設定する。すなわち、エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から受信するクランクシャフト１１０の回転数を検知して、検知された回転数に対応するノック波形モデルを設定する。たとえば、図９（Ａ）に示すようなマップを予めメモリ２０２に記憶しておき、エンジンＥＣＵ２００は、検知された回転数に対応するノック波形モデルをマップから補間して算出するようにしてもよい。

あるいは、ノック波形モデルとして、図５を用いて説明したように、予め定められた減衰率λと指数関数の式で算出される近似波形を用いる場合には、図１０（Ａ）に示すように、１０００回転毎の回転数に対応する減衰率λの値をマップとしてメモリ２０２に記憶しておき、クランクポジションセンサ３０６から受信するクランクシャフト１１０の回転数に対応するノック波形モデルに対応する減衰率λを補間して、ノック波形モデルを設定するようにしてもよい。または、図１０（Ｂ）に示すようなマップを予めメモリ２０２に記憶しておき、検知された回転数に対応する減衰率λの値をマップから算出して、ノック波形モデルを設定するようにしてもよいし、あるいは、減衰率λをエンジン１００の回転数Ｎｅの関数として記憶しておくようにしてもよい。すなわち、減衰率λ＝ｆ１（回転数Ｎｅ）の関数式を予め記憶しておき、検知された回転数Ｎｅに基づいて減衰率λを算出するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、回転数に基づいて減衰率λの値を算出するとして説明したが、特に回転数に限定されるものではない。たとえば、ノッキングに対応する振動の波形は、エンジン１００の負荷率に応じても、異なる傾向を有する。「負荷率」とは、エンジン１００の全負荷時の吸入空気量に対する実際の吸入空気量の割合を示す。したがって、エンジン１００の吸気系に設けられるエアフローメータ（図示せず）により検知される吸入空気量に基づいて負荷率を算出することができる。

図９（Ｂ）に示すように、ノッキングに対応する振動の波形は、エンジン１００のクランクシャフト１１０における高負荷になるほど（負荷率が高くなるほど）、減衰の部分が緩やかになり、軽負荷になるほど（負荷率が低くなるほど）、減衰の部分が急になる。

したがって、図９（Ｂ）に示すような、負荷率ＫＬと減衰率との関係を示すマップを予めメモリ２０２に記憶しておき、エンジン１００の吸入空気量に基づいて負荷率を検知して、検知された負荷率に対応する減衰率λの値をマップから算出して、ノック波形モデルを設定するようにしてもよい。

あるいは、図９（Ｂ）に示すようなマップに限定せず、図１０（Ｂ）に示すように、横軸を回転数Ｎｅに代えて負荷率ＫＬとしたマップを記憶しておくようにしてもよい。または、減衰率λをエンジン１００の負荷率ＫＬの関数として記憶しておくようにしてもよい。すなわち、減衰率λ＝ｆ２（負荷率ＫＬ）の関数式を予め記憶しておき、検知された負荷率ＫＬに基づいて減衰率λを算出するようにしてもよい。

あるいは、減衰率λをエンジン１００の回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬの関数として記憶しておくようにしてもよい。すなわち、減衰率λ＝ｆ３（回転数Ｎｅ，負荷率ＫＬ）の関数式を予め記憶しておき、検知された回転数Ｎｅおよび検知された負荷率ＫＬに基づいて減衰率λを算出するようにしてもよい。あるいは、減衰率λと回転数Ｎｅと負荷率ＫＬとの３次元マップ（図示せず）を予め記憶しておき、検知された回転数Ｎｅおよび検知された負荷率ＫＬとに基づいて、減衰率λを算出するようにしてもよい。

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。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。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。算出された積算値の最大値をＰとし、エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表す値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬはメモリ２０２に記憶されている。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別する。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（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、処理はＳ１１６に移される。そうでない場合（Ｓ１１４にてＮＯ）、処理はＳ１２０に移される。

Ｓ１１６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。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１２０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。Ｓ１２６にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。

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ノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、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（Ｓ１００）。

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の周波数の振動ごとに算出され（Ｓ１０２）。算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの振動の積算値が合成される（Ｓ１０４）。これにより、エンジン１００の振動波形が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃにおける振動の合成波として検出される。

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。このようにして検出された振動波形における積算値のうち、最大の積算値を用いて波形の正規化が行なわれる（Ｓ１０６）。

ここでは、角度β（１）から５度までの積算値により各積算値が除算されて、振動波形が正規化されたと想定する。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。

クランクポジションセンサ３０６により検知されたクランクシャフト１１０の回転数に対応するノック波形モデルが設定され（Ｓ１０８）、図１１に示すように、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、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）（斜線部）が算出される。

このΔＳ（Ｉ）の判定区間における総和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（判定区間）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。

このようにして算出された相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１２）。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に加えて、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。ここでは、相関係数Ｋと角度β（１）から５度進めた角度までの積算値との積をＢＧＬで除算することによりノック強度Ｋが算出されたと想定する。

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（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１６）、点火時期が遅角される（Ｓ１１８）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。

一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１１４にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２０）、点火時期が進角される（Ｓ１２２）。

以上のようにして、本実施の形態に係るノッキング判定装置によると、エンジンＥＣＵは、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数を算出する。たとえば、実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であって、エンジン回転数に対応した複数のノック波形モデルを予め作成して記憶しておく。検出された波形と、記憶された複数のノック波形モデルのうち、検知されたエンジン回転数に対応する波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。したがって、エンジン回転数に対応する複数のノック波形モデルを記憶しておき、検出された波形と比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。

また、ノック波形モデルと、振動波形の立ち上がりの部分および減衰の部分の少なくともいずれかを含む波形とを比較することにより、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。

さらに、判定区間を規定する角度β（１）を振動の波形のピーク値に対応する角度として、ピーク値を含む振動波形の減衰の部分を含む波形とノック波形モデルとを比較することにより、ピーク値を含む部分の波形の信号出力は大きいため、ノッキングに特有の波形形状を精度よく判定することができる。

このように、ノッキングに対応する振動の特徴的な部分のみをノック波形モデルとして記憶することにより、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。

そして、予め定められた減衰率からノッキングに対応する振動のピーク値以降の減衰波形を近似的に算出するようにすると、減衰率と式とをメモリに記憶しておけばよいため、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。あるいは、複数の減衰率を記憶しておくようにすると、検出された波形と、内燃機関の運転状態に対応する減衰率に基づく波形とを比較することにより、内燃機関にノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

以上の説明においては、ノック波形モデルは、エンジンの運転状態に応じて、複数のノック波形モデルを設定することとしたが、ノック波形モデルは、ノッキングに特有の形状を有し、内燃機関の運転状態および種類に応じて変化しない１つの波形としてメモリに記憶するようにしてもよい。このようにすると、内燃機関の運転状態および種類の応じて、複数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなくなるため、予め記憶しておくデータ量を低減することができる。また、内燃機関の種類に応じて複数のノック波形モデルを設定する必要がないため、それらの設定に要する時間を短縮することができる。

また、本実施の形態において、ノック波形モデルと、検出された波形との形状の相関係数を算出することにより両者を比較して、検出された波形がノッキングに対応する振動であるか否かを判定したが、両者の類似性を数値化できれば、特にこれに限定されるものではない。たとえば、ノック波形モデルと検出された波形とをパターンマッチング手法等により検出された波形とノック波形モデルとの類似性を数値化して、検出された波形がノッキングに対応する振動であるか否かを判定するようにしてもよい。なお、パターンマッチング手法については、周知の技術を用いればよくその詳細は説明しない。

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ノッキング判定装置により制御されるエンジンを示す概略構成図である。 エンジンで発生する振動の周波数を示す図である。 ノック波形モデルを示す図（その１）である。 ノック波形モデルを定義する区間を示す図である。 ノック波形モデルを示す図（その２）である。 ノックセンサにより検知される振動波形を示す図である。 エンジン回転数に応じた振動波形を示す図である。 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である。 エンジン回転数に対応したノック波形モデルを示す図である。 エンジン回転数と減衰率との関係を示す図である。 正規化後の振動波形とノック波形モデルとを比較するタイミングを示す図である。

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ＥＣＵ２００、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。

Claims (13)

1. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
   予め定められたクランク角の間における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
   ノッキングに対応する振動の波形であって、前記内燃機関の運転状態および種類に応じて変化しない１つの波形を予め記憶するための記憶手段と、
   前記検出された波形と、前記記憶手段に記憶された波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含み、
   前記判定手段は、
   前記検出された波形の振動強度のピークに対応する値を用いることによって前記検出された波形を正規化するための手段と、
   前記正規化された波形のピーク時点を前記記憶された波形のピーク時点に合致させることによって振動強度の偏差を算出するための手段と、
   前記算出された偏差に基づいて、前記正規化された波形と、前記記憶された波形との間の偏差に関連した値である相関係数を算出するための手段と、
   前記算出された相関係数を用いることによって前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
2. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
   予め定められたクランク角の間における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態に対応した複数の前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
   前記検出された波形と、前記記憶手段に記憶された複数の波形のうち前記内燃機関の運転状態に対応する波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含み、
   前記判定手段は、
   前記検出された波形の振動強度のピークに対応する値を用いることによって前記検出された波形を正規化するための手段と、
   前記正規化された波形のピーク時点を前記記憶された波形のピーク時点に合致させることによって振動強度の偏差を算出するための手段と、
   前記算出された偏差に基づいて、前記正規化された波形と、前記記憶された波形との間の偏差に関連した値である相関係数を算出するための手段と、
   前記算出された相関係数を用いることによって前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
3. 前記ノッキング判定装置は、前記内燃機関の出力軸の回転数を検知するための回転数検知手段をさらに含み、
   前記記憶手段は、前記回転数に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含み、
   前記判定手段は、前記検出された波形と、前記記憶手段に記憶され、前記検知された回転数に対応する波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記ノッキング判定装置は、前記内燃機関の負荷率を検知するための負荷率検知手段をさらに含み、
   前記記憶手段は、前記負荷率に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含み、
   前記判定手段は、前記検出された波形と、前記記憶手段に記憶され、前記検知された負荷率に対応する波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
5. 前記ノッキング判定装置は、
   前記内燃機関の出力軸の回転数を検知するための回転数検知手段と、
   前記内燃機関の負荷率を検知するための負荷率検知手段とをさらに含み、
   前記記憶手段は、前記回転数および前記負荷率に対応した複数の振動の波形を予め記憶するための手段を含み、
   前記判定手段は、前記検出された波形と、前記記憶手段に記憶され、前記検知された回転数および負荷率に対応する波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
6. 前記記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形であって、
   前記第１の角度および前記第２の角度は、振動の波形のピーク値に対応する角度よりも共に大きい角度であるか小さい角度であるかのいずれかである、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
7. 前記記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形であって、
   前記区間は、振動の波形のピーク値に対応する角度を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
8. 前記第１の角度は、振動の波形のピーク値に対応する角度である、請求項７に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
9. 前記第２の角度は、前記第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である、請求項８に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
10. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
    前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
    予め定められたクランク角の間における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
    ノッキングに対応する振動の波形の振幅の包絡線を予め記憶するための記憶手段と、
    前記検出された波形と、前記記憶された包絡線との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段と
    を含み、
    前記判定手段は、
    前記検出された波形の振動強度のピークに対応する値を用いることによって前記検出された波形を正規化するための手段と、
    前記正規化された波形のピーク時点を前記記憶された包絡線に基づく波形のピーク時点に合致させることによって振動強度の偏差を算出するための手段と、
    前記算出された偏差に基づいて、前記正規化された波形と、前記記憶された包絡線に基づく波形との間の偏差に関連した値である相関係数を算出するための手段と、
    前記算出された相関係数を用いることによって前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
11. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
    前記内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
    予め定められたクランク角の間における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
    前記内燃機関の振動の波形のピーク値に対応する角度以降の予め定められた減衰率を予め記憶するための記憶手段と、
    前記検出された波形と、前記記憶された減衰率に基づく波形との類似性を数値化し、数値化された結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含み、
    前記判定手段は、
    前記検出された波形の振動強度のピークに対応する値を用いることによって前記検出された波形を正規化するための手段と、
    前記正規化された波形のピーク時点を前記記憶された減衰率に基づく波形のピーク時点に合致させることによって振動強度の偏差を算出するための手段と、
    前記算出された偏差に基づいて、前記正規化された波形と、前記記憶された減衰率に基づく波形との間の偏差に関連した値である相関係数を算出するための手段と、
    前記算出された相関係数を用いることによって前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
12. 前記記憶手段に記憶された波形は、第１の角度と第２の角度との間の区間の波形であって、
    前記第１の角度は、振動波形のピーク値に対応する角度である、請求項１０または１１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
13. 前記第２の角度は、前記第１の角度から予め定められた角度だけ進めた角度である、請求項１２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。

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