JP4408581B2 - ノッキングの検出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの出力信号からバックグラウンドレベルを検出し、これに基づいてノッキングを検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ノッキングの発生を抑制しながら点火時期を制御するために、ノッキングを検出することが行われている。ノッキングが発生すると、燃焼室内に異常な圧力波が発生して、内燃機関にノッキング固有の振動が生じることから、内燃機関に発生する振動の内のノッキング固有の周波数成分を調べることにより、ノッキングの検出が行われる。内燃機関の振動状態の検出には、例えばノックセンサや、燃焼室内の筒内圧を検出する圧力センサ等の各種センサが用いられ、その出力信号（センサ信号）から、フィルタ回路を介してノッキング固有の周波数帯域の信号成分を抽出する。
【０００３】
センサの出力信号からノッキング固有の振動周波数成分を抽出する際には、ノッキング以外の要因で発生する振動成分（本明細書では「バックグラウンド成分」という。）も抽出してしまう。そのため、ノッキングの検出精度の低下を抑えるには、抽出した振動周波数成分に基づきノッキング判定を行う際には、バックグラウンド成分の信号レベルを考慮する必要がある。
【０００４】
このバックグラウンド成分の信号レベル（本明細書では「バックグラウンドレベル」という。）を検出するには、例えば次の手法が考えられる。まず、ノッキング固有の周波数帯（本明細書では「ノッキング周波数帯」という。）を通過帯域とするフィルタによるフィルタリングを行うことにより、センサ信号からバックグラウンド成分を抽出する。そして、その抽出したバックグラウンド成分から、燃焼サイクル中の所定区間に亘りサンプリングおよびＡ／Ｄ変換を行い、これにより得たデータ値の平均値をバックグラウンドレベルとして求める（例えば、特開平４−２４４９３３号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様にしてバックグラウンドレベルを検出する方法では、サンプリング間隔の広狭によって得られる値が変わってくる。誤差を少なくするためには、サンプリングを高速（５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度）に行い、多数のデータを保持して平均化処理する手法も考えられるが、高速なＡ／Ｄ変換を実現するためのハードウェアが必要となるし、また大容量のメモリが必要となり、製造コストが高くなってしまうため好ましくない。
【０００６】
本発明は、こうしたことを背景としてなされたものであり、サンプリングを高速化することなく、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができるノッキング検出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、請求項１記載のノッキングの検出方法では、内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみ通過させる電圧カットフィルタでフィルタリングし、更に、この電圧カットフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングする。そして、このローパスフィルタの出力信号によって、圧力センサの信号に含まれるノッキング以外の要因によって発生する信号のレベルであるバックグラウンドレベルを検出する。
【０００８】
この様に請求項１の発明では、バックグラウンドレベルの検出を、ローパスフィルタの出力信号を対象として行う。ローパスフィルタの出力信号では高周波成分が抑制されており平均化されているため、サンプリングを高速化しなくても、安定してバックグラウンドレベルを得ることができ、精度良くノッキングの検出を行うことができる。
【０００９】
また、ローパスフィルタの出力信号からバックグラウンドレベルを検出するために、圧力センサの出力信号に対してバンドパスフィルタによって行うフィルタリングを、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において行う。
そのためには、フィルタリングを行う時期（ウィンドウ）をノッキングの発生する畏れがない期間に設定すればよいが、ノッキングの発生しやすい時期と重複しても良く、その場合でも、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない信号からバックグラウンドレベルを検出することは可能である。例えば、ノッキングの有無に関わらずローパスフィルタの出力信号を取得しておき、ノッキング判定（過去のバックグラウンドレベルに基づくノッキング判定）の結果、ノッキング無しと判断された場合に、ローパスフィルタの出力信号に基づきバックグラウンドレベルの検出を行うようにすればよい。
【００１０】
また上記課題は、請求項２記載の発明によっても解決することができる。
請求項２に記載のノッキングの検出方法では、圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように設定されたバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングする。そして、このローパスフィルタの出力信号によって、バックグラウンドレベルを検出する。
【００１１】
この様なノッキングの検出方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる。また、請求項２記載の発明では、バンドパスフィルタの出力が、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように遮断されている。すなわち、バンドパスフィルタが電圧カットフィルタと一体となり、電圧カットフィルタの機能を備えたものとなっている。そのため、独立した電圧カットフィルタを設ける必要がなく、回路構成が簡単になるという点で好ましい。
【００１２】
また上記課題は、請求項３に記載の発明によっても解決できる。
請求項３に記載のノッキングの検出方法においては、圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみに設定されたローパスフィルタでフィルタリングする。そしてこのローパスフィルタの出力信号によって、バックグラウンドレベルを検出する。
【００１３】
この様なノッキングの検出方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる。また、請求項３記載の発明では、ローパスフィルタの出力が、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように遮断されている。すなわち、ローパスフィルタ電圧カットフィルタと一体となり、電圧カットフィルタの機能を備えたものとなっている。そのため、請求項２の発明と同様に、独立した電圧カットフィルタを設ける必要がなく、回路構成が簡単になる。
【００１４】
なお、カットオフ電圧については、請求項４に記載の様に、測定系のアースグラウンドに設定しておくとよい。
即ち、バンドパスフィルタの出力信号は、当該バンドパスフィルタを含む測定系のアースグラウンドを中心とする振幅をもつ信号であるから、カットオフ電圧を、そのアースグラウンドに設定すれば、精度よくバックグラウンドレベルの検出を行うことができる。
【００１５】
また、ローパスフィルタのカットオフ周波数については、請求項５に記載のように、たとえば１００Ｈｚ以下に設定するとよく、そうすれば、後述するようにバックグラウンドレベルの検出精度が極めて高くなる。
また、以上の発明は、請求項６に記載の様に、いわゆる座型圧力センサ（圧力センサが内燃機関の点火プラグの取り付け座に設けられたものであり、その点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するもの）に適用すると好ましい。この様な座型圧力センサの出力信号には、ピストンスラップ、シリンダヘッドのひずみ、吸気弁や排気弁の着座などに起因した信号成分が畳重してバックグラウンド成分となる可能性が高いため、本発明の適用により、精度良くバックグラウンドレベルを求めるようにすると好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明を実現するための構成を備えた内燃機関制御装置（ＥＣＵ）２の構成図を示す。このＥＣＵ２は、複数の気筒を有する内燃機関を制御するためのものであり、図１に示すように、圧力センサＳの出力信号が入力されている。
【００１７】
ＥＣＵ２は、圧力センサＳでの発生電荷に応じた信号を出力するチャージアンプ４と、このチャージアンプ４の出力信号を処理するバックグラウンドレベル検出回路５と、内燃機関２１の点火時期やアイドル回転速度等を総合的に制御するための制御処理を実行するＣＰＵ１２とを備えている。
【００１８】
圧力センサＳは、図２、図３に示す様に、内燃機関２１の点火プラグ２３の取り付け座に設けられている。圧力センサＳは、内燃機関２１への点火プラグ２３の締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関２１の燃焼室２５の内部圧力（筒内圧）を検出するものであり、燃焼室内の筒内圧の大きさに応じた電荷を検出信号として出力する。
【００１９】
点火プラグ２３は、図３に示す様に、当該点火プラグ２３を内燃機関２１のボディに取り付けるためのねじ部が形成された主体金具２３ａを有している。主体金具２３ａは、当該点火プラグ２３の取り付け座であり、点火プラグ２３は主体金具２３ａを介して内燃機関２１のボディに締結される。
【００２０】
圧力センサＳは、主体金具２３ａの内部に内蔵された圧電素子を備えており（図示省略）、筒内圧の変化に応じて変化する点火プラグ２３の締め付け荷重に対応した電荷、即ち筒内圧に応じた発生電荷を、出力ケーブル２３ｂを介して出力する。チャージアンプ４は、圧力センサＳでの発生電荷を電圧信号に変換して、圧力センサＳのセンサ信号として出力する。
【００２１】
そしてバックグラウンドレベル検出回路５は、圧力センサＳから出力される出力信号に対してフィルタリング等を行うことにより、ＣＰＵ１２によるバックグラウンドレベルの検出精度の向上を図るためのものである。図１に示すように、バックグラウンドレベル検出回路５は、バンドパスフィルタ６と、増幅回路８と、ローパスフィルタ１０とを備えている。
【００２２】
バンドパスフィルタ６は、ノッキング周波数帯を通過帯域とするものであり（本実施形態では、６ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）、ハイパスフィルタ部６ａおよびローパスフィルタ部６ｂから構成されている。
図４に示す様に、ハイパスフィルタ部６ａは、オペアンプＯＰ１を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２を介して、チャージアンプ４の出力信号が入力される。また、この非反転入力端子（＋）は、抵抗器Ｒ１を介してＧＮＤライン（０［Ｖ］）に接続されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）は、抵抗器Ｒ２を介してＧＮＤラインに接続されるとともに、抵抗器Ｒ４を介してオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。
【００２３】
オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗器Ｒ３を介してコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点に接続されており、これによりオペアンプＯＰ１の出力端子はコンデンサＣ２および抵抗器Ｒ３を介して、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）に接続された状態となっている。また、オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗器Ｒ５を介してＧＮＤラインに接続されている。
【００２４】
このように構成されたハイパスフィルタ部６ａは、チャージアンプ４の出力信号の内、所定のカットオフ周波数（本実施形態では６ｋＨｚ）以上の周波数成分を通過させ、オペアンプＯＰ１の出力端子から出力するよう機能する。
一方、ローパスフィルタ部６ｂは、オペアンプＯＰ２を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続された抵抗器Ｒ６、Ｒ７を介してオペアンプＯＰ１の出力端子が接続され、ハイパスフィルタ部６ａの出力信号が入力される。また、この非反転入力端子（＋）は、コンデンサＣ３を介してＧＮＤラインに接続されている。オペアンプＯＰ２の反転入力端子（−）は、抵抗器Ｒ８を介してＧＮＤラインに接続されるとともに、抵抗器Ｒ９を介してオペアンプＯＰ２の出力端子に接続されている。
【００２５】
オペアンプＯＰ２の出力端子は、コンデンサＣ４を介して抵抗器Ｒ６と抵抗器Ｒ７との接続点に接続されており、これによりオペアンプＯＰ２の出力端子はコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ７を介して、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）に接続された状態となっている。また、オペアンプＯＰ２の出力端子は、抵抗器Ｒ１０を介してＧＮＤラインに接続されている。
【００２６】
このように構成されたローパスフィルタ部６ｂは、ハイパスフィルタ部６ａの出力信号の内、所定のカットオフ周波数（本実施形態では１０ｋＨｚ）以下の周波数成分を通過させるよう機能する。
つまり、バンドパスフィルタ６は、チャージアンプ４の出力信号の内、所定の通過帯域（本実施形態では、６ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）の周波数成分を通過させ、オペアンプＯＰ２の出力端子から出力信号Ｖａとして出力するよう機能することになる。
【００２７】
なお、バンドパスフィルタ６を構成するオペアンプＯＰ１，ＯＰ２においては、各オペアンプＯＰ１，ＯＰ２の一対の電源入力端子の一方にプラス電源（本実施形態では＋５Ｖ）が接続され、他方の電源入力端子にはＧＮＤラインが接続されている。即ち、オペアンプＯＰ１およびオペアンプＯＰ２は、単電源動作するように設けられていることにより、測定系のアースグラウンド（０Ｖ）であるカットオフ電圧レベル以上のみを通過させる電圧カットフィルタとして夫々機能している。そのため、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａは、その信号レベルがカットオフ電圧レベル以上となるよう整流された信号となる。
【００２８】
本実施例では、以上の様にノッキング周波数帯を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上のみとなるように設定されたバンドパスフィルタ６で、圧力センサＳの信号をフィルタリングしている。
次に増幅回路８は、オペアンプＯＰ３を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続された抵抗器Ｒ１２を介してオペアンプＯＰ２の出力端子が接続され、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａが入力される。また、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋）は、抵抗器Ｒ１１を介してＧＮＤラインに接続されていると共に、抵抗器Ｒ１３を介して、オペアンプＯＰ３の出力端子に接続されている。即ち増幅回路８は、非反転増幅回路として構成されたものであり、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａを、抵抗器Ｒ１１と抵抗器Ｒ１３との比で定まる倍率で単に増幅する。
【００２９】
ローパスフィルタ１０は、抵抗器Ｒ１４とコンデンサＣ５とからなるものであり、この抵抗器Ｒ１４の一端にはオペアンプＯＰ３の出力端子が接続されており、抵抗器Ｒ１４の他端はコンデンサＣ５を介してＧＮＤラインに接続されている。この様に構成されることによりローパスフィルタ１０は、増幅回路８の出力信号の内、所定のカットオフ周波数（ノッキング周波数帯よりも低い周波数）以下の周波数成分が通過して、抵抗器Ｒ１４とコンデンサＣ５との接続点から、出力信号Ｖｂとして出力するよう機能する。
【００３０】
ＣＰＵ１２は、ノッキングが発生していないと分かっている期間におけるバックグラウンドレベル検出回路５からの信号をサンプリングし、それをＡ／Ｄ変換して、バックグラウンドレベルを求める。またＣＰＵ１２は、バックグラウンドレベル検出回路５だけでなく、圧力センサＳの出力信号をバンドパスフィルタ或いはハイパスフィルタに通過させた出力のピーク値を検出するピークホールド回路、又はそれらのフィルタ通過後の出力を積分する積分回路との間でも信号の入出力を行っている。そして、ＣＰＵ１２は、例えばノッキングの発生中においてピークホールド回路（図示せず）を介して得られたピーク値と、バックグラウンドレベルとに基づいてノッキング発生の判定を行う。
【００３１】
なお、図示しないが、本実施形態の圧力センサＳは内燃機関２１の気筒毎に設けられるものであるため、気筒数に応じて圧力センサＳが複数ある場合には、各圧力センサＳごとにチャージアンプ４およびバックグラウンドレベル検出回路５が設けられる。
【００３２】
ここで、図５にチャージアンプ４の出力信号（▲１▼）、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａ（▲２▼）およびローパスフィルタ１０の出力信号Ｖｂ（▲３▼）を示す。なお、図５に示す横軸の１目盛は２ｍｓに当たる。
チャージアンプ４の出力信号（▲１▼）のうちノッキング周波数成分が、バンドパスフィルタ６により出力信号Ｖａ（▲２▼）として抽出され、更に、ローパスフィルタ１０を通過することで、高周波数成分が抑制された出力信号Ｖｂ（▲３▼）となる。なお、図５に示した出力信号Ｖｂ（▲３▼）は、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を５００Ｈｚに設定した場合におけるものである。
【００３３】
この様に、本実施形態の方法では、圧力センサＳからの出力信号のうち、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない信号を、バンドパスフィルタ６でフィルタリングし、更に、そのバンドパスフィルタ６の出力信号を、ローパスフィルタ１０でフィルタリングする。そして、このローパスフィルタ１０の出力信号に基づいてバックグラウンドレベルを検出する。つまり、バックグラウンドレベルを得るためのサンプリングを、ローパスフィルタを通過させた信号を対象として行っており、その信号では高周波成分が抑制されて平均化されているため、サンプリングを高速化しなくても、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができる。
【００３４】
また図６において、最上段には、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａを示しており、その下には、上から順に、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を１ｋＨｚ、５００Ｈｚおよび１００Ｈｚと設定した各場合における出力信号Ｖｂを示している。また、図７には、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数とバックグラウンドレベルの検出結果との関係を示している。
【００３５】
図６および図７からは、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を低く設定するほど、高周波成分が更に除去された出力信号Ｖｂを得ることができ、その結果、バックグラウンドレベルのばらつきが収斂していくことがわかる（この様子を図７中に実線で示す）。つまりサンプリング周波数を高くしなくても、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができ、特に１００Ｈｚ以下では、ばらつきが極めて少ないことがわかる。
【００３６】
また、圧力センサＳはいわゆる座型圧力センサとして構成されており、その出力信号には、ピストンスラップ、シリンダヘッドのひずみ、吸気弁や排気弁の着座などに起因した信号成分が畳重してバックグラウンド成分となる可能性が高いが、それらに起因する信号成分のレベルについても精度良くバックグラウンドレベルとして求めることができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。
たとえば上記実施形態では、バンドパスフィルタ６を、電圧カットフィルタが一体となったものとして説明したが、これに限られるものではない。たとえば、オペアンプＯＰ１およびオペアンプＯＰ２を両電源（正負一対の電源を有するものをいう。例えば±５Ｖ）で動作させ、バンドパスフィルタ６から電圧カットフィルタとしての機能を除き、そしてバンドパスフィルタ６とローパスフィルタ１０との間に、電圧カットフィルタをバンドパスフィルタ６とは別個のものとして設けてもよい。
【００３８】
また、電圧カットフィルタをバンドパスフィルタ６とは別個のものとする場合、その電圧カットフィルタは、後段のローパスフィルタと一体に構成してもよい。たとえば、図４の増幅回路８およびローパスフィルタ１０を、ローパスフィルタ部６ｂで置き換えることが考えられる。
【００３９】
また、上記実施形態では、カットオフ電圧（上記実施形態ではアースグラウンド）以上のみの信号を通過させ或いは出力するものとして説明したが、これに限られず、カットオフ電圧以下のみの信号を通過させ或いは出力するものとして構成してもよい。これは、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２などの一方の電源入力端子にＧＮＤラインを接続し、他方の電源入力ラインにマイナス電源（例えば、−５Ｖ）を接続することで実現できる。
【００４０】
また、上記実施形態では、座型圧力センサとして、点火プラグ２３に一体に設けられたいわゆるプラグ一体型圧力センサ（ＰＧＰＳ）を用いるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば図８に示す様に、点火プラグとは別体に構成された座金型燃焼圧センサ（ＧＰＳ）Ｓ’を、座型圧力センサとして用いた場合にも、本発明を適用できる。
【００４１】
なお、この座金型燃焼圧センサＳ’は、点火プラグの取り付け座とエンジン２１との間にて点火プラグの締め付けにより固定され、その状態で点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するものである。座金型燃焼圧センサＳ’は、点火プラグの取り付け座とエンジンヘッドとの間をシールするガスケット２０１などを備え、シールド線２０５を介して圧電素子での発生電荷を外部に出力するよう構成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関制御装置の構成を示す説明図である。
【図２】 内燃機関における圧力センサの配設位置を示す説明図である。
【図３】 圧力センサが設けられる点火プラグを示す説明図である。
【図４】 バックグラウンドレベル検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】 圧力センサの出力信号およびバックグラウンドレベル検出回路内での信号の波形を示す図である。
【図６】 バンドパスフィルタおよびローパスフィルタの出力信号を示す図である。
【図７】 ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数とバックグラウンドレベルの検出結果との関係を示す図である。
【図８】 座型圧力センサの変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
４…チャージアンプ
５…バックグラウンドレベル検出回路
６…バンドパスフィルタ
１０…ローパスフィルタ
２１…内燃機関 ２３…点火プラグ
２５…燃焼室 Ｓ…圧力センサ
Ｖａ…バンドパスフィルタの出力信号
Ｖｂ…ローパスフィルタの出力信号
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの出力信号からバックグラウンドレベルを検出し、これに基づいてノッキングを検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ノッキングの発生を抑制しながら点火時期を制御するために、ノッキングを検出することが行われている。ノッキングが発生すると、燃焼室内に異常な圧力波が発生して、内燃機関にノッキング固有の振動が生じることから、内燃機関に発生する振動の内のノッキング固有の周波数成分を調べることにより、ノッキングの検出が行われる。内燃機関の振動状態の検出には、例えばノックセンサや、燃焼室内の筒内圧を検出する圧力センサ等の各種センサが用いられ、その出力信号（センサ信号）から、フィルタ回路を介してノッキング固有の周波数帯域の信号成分を抽出する。
【０００３】
センサの出力信号からノッキング固有の振動周波数成分を抽出する際には、ノッキング以外の要因で発生する振動成分（本明細書では「バックグラウンド成分」という。）も抽出してしまう。そのため、ノッキングの検出精度の低下を抑えるには、抽出した振動周波数成分に基づきノッキング判定を行う際には、バックグラウンド成分の信号レベルを考慮する必要がある。
【０００４】
このバックグラウンド成分の信号レベル（本明細書では「バックグラウンドレベル」という。）を検出するには、例えば次の手法が考えられる。まず、ノッキング固有の周波数帯（本明細書では「ノッキング周波数帯」という。）を通過帯域とするフィルタによるフィルタリングを行うことにより、センサ信号からバックグラウンド成分を抽出する。そして、その抽出したバックグラウンド成分から、燃焼サイクル中の所定区間に亘りサンプリングおよびＡ／Ｄ変換を行い、これにより得たデータ値の平均値をバックグラウンドレベルとして求める（例えば、特開平４−２４４９３３号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様にしてバックグラウンドレベルを検出する方法では、サンプリング間隔の広狭によって得られる値が変わってくる。誤差を少なくするためには、サンプリングを高速（５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度）に行い、多数のデータを保持して平均化処理する手法も考えられるが、高速なＡ／Ｄ変換を実現するためのハードウェアが必要となるし、また大容量のメモリが必要となり、製造コストが高くなってしまうため好ましくない。
【０００６】
本発明は、こうしたことを背景としてなされたものであり、サンプリングを高速化することなく、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができるノッキング検出方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記課題を解決するため、請求項１記載のノッキングの検出方法では、内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみ通過させる電圧カットフィルタでフィルタリングし、更に、この電圧カットフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングする。そして、このローパスフィルタの出力信号によって、圧力センサの信号に含まれるノッキング以外の要因によって発生する信号のレベルであるバックグラウンドレベルを検出する。
【０００８】
この様に請求項１の発明では、バックグラウンドレベルの検出を、ローパスフィルタの出力信号を対象として行う。ローパスフィルタの出力信号では高周波成分が抑制されており平均化されているため、サンプリングを高速化しなくても、安定してバックグラウンドレベルを得ることができ、精度良くノッキングの検出を行うことができる。
【０００９】
また、ローパスフィルタの出力信号からバックグラウンドレベルを検出するために、圧力センサの出力信号に対してバンドパスフィルタによって行うフィルタリングを、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において行う。
そのためには、フィルタリングを行う時期（ウィンドウ）をノッキングの発生する畏れがない期間に設定すればよいが、ノッキングの発生しやすい時期と重複しても良く、その場合でも、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない信号からバックグラウンドレベルを検出することは可能である。例えば、ノッキングの有無に関わらずローパスフィルタの出力信号を取得しておき、ノッキング判定（過去のバックグラウンドレベルに基づくノッキング判定）の結果、ノッキング無しと判断された場合に、ローパスフィルタの出力信号に基づきバックグラウンドレベルの検出を行うようにすればよい。
【００１０】
また上記課題は、請求項２記載の発明によっても解決することができる。
請求項２に記載のノッキングの検出方法では、圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように設定されたバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングする。そして、このローパスフィルタの出力信号によって、バックグラウンドレベルを検出する。
【００１１】
この様なノッキングの検出方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる。また、請求項２記載の発明では、バンドパスフィルタの出力が、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように遮断されている。すなわち、バンドパスフィルタが電圧カットフィルタと一体となり、電圧カットフィルタの機能を備えたものとなっている。そのため、独立した電圧カットフィルタを設ける必要がなく、回路構成が簡単になるという点で好ましい。
【００１２】
また上記課題は、請求項３に記載の発明によっても解決できる。
請求項３に記載のノッキングの検出方法においては、圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、このバンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみに設定されたローパスフィルタでフィルタリングする。そしてこのローパスフィルタの出力信号によって、バックグラウンドレベルを検出する。
【００１３】
この様なノッキングの検出方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる。また、請求項３記載の発明では、ローパスフィルタの出力が、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみとなるように遮断されている。すなわち、ローパスフィルタ電圧カットフィルタと一体となり、電圧カットフィルタの機能を備えたものとなっている。そのため、請求項２の発明と同様に、独立した電圧カットフィルタを設ける必要がなく、回路構成が簡単になる。
【００１４】
なお、カットオフ電圧については、請求項４に記載の様に、測定系のアースグラウンドに設定しておくとよい。
即ち、バンドパスフィルタの出力信号は、当該バンドパスフィルタを含む測定系のアースグラウンドを中心とする振幅をもつ信号であるから、カットオフ電圧を、そのアースグラウンドに設定すれば、精度よくバックグラウンドレベルの検出を行うことができる。
【００１５】
また、ローパスフィルタのカットオフ周波数については、請求項５に記載のように、たとえば１００Ｈｚ以下に設定するとよく、そうすれば、後述するようにバックグラウンドレベルの検出精度が極めて高くなる。
また、以上の発明は、請求項６に記載の様に、いわゆる座型圧力センサ（圧力センサが内燃機関の点火プラグの取り付け座に設けられたものであり、その点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するもの）に適用すると好ましい。この様な座型圧力センサの出力信号には、ピストンスラップ、シリンダヘッドのひずみ、吸気弁や排気弁の着座などに起因した信号成分が畳重してバックグラウンド成分となる可能性が高いため、本発明の適用により、精度良くバックグラウンドレベルを求めるようにすると好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明を実現するための構成を備えた内燃機関制御装置（ＥＣＵ）２の構成図を示す。このＥＣＵ２は、複数の気筒を有する内燃機関を制御するためのものであり、図１に示すように、圧力センサＳの出力信号が入力されている。
【００１７】
ＥＣＵ２は、圧力センサＳでの発生電荷に応じた信号を出力するチャージアンプ４と、このチャージアンプ４の出力信号を処理するバックグラウンドレベル検出回路５と、内燃機関２１の点火時期やアイドル回転速度等を総合的に制御するための制御処理を実行するＣＰＵ１２とを備えている。
【００１８】
圧力センサＳは、図２、図３に示す様に、内燃機関２１の点火プラグ２３の取り付け座に設けられている。圧力センサＳは、内燃機関２１への点火プラグ２３の締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関２１の燃焼室２５の内部圧力（筒内圧）を検出するものであり、燃焼室内の筒内圧の大きさに応じた電荷を検出信号として出力する。
【００１９】
点火プラグ２３は、図３に示す様に、当該点火プラグ２３を内燃機関２１のボディに取り付けるためのねじ部が形成された主体金具２３ａを有している。主体金具２３ａは、当該点火プラグ２３の取り付け座であり、点火プラグ２３は主体金具２３ａを介して内燃機関２１のボディに締結される。
【００２０】
圧力センサＳは、主体金具２３ａの内部に内蔵された圧電素子を備えており（図示省略）、筒内圧の変化に応じて変化する点火プラグ２３の締め付け荷重に対応した電荷、即ち筒内圧に応じた発生電荷を、出力ケーブル２３ｂを介して出力する。チャージアンプ４は、圧力センサＳでの発生電荷を電圧信号に変換して、圧力センサＳのセンサ信号として出力する。
【００２１】
そしてバックグラウンドレベル検出回路５は、圧力センサＳから出力される出力信号に対してフィルタリング等を行うことにより、ＣＰＵ１２によるバックグラウンドレベルの検出精度の向上を図るためのものである。図１に示すように、バックグラウンドレベル検出回路５は、バンドパスフィルタ６と、増幅回路８と、ローパスフィルタ１０とを備えている。
【００２２】
バンドパスフィルタ６は、ノッキング周波数帯を通過帯域とするものであり（本実施形態では、６ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）、ハイパスフィルタ部６ａおよびローパスフィルタ部６ｂから構成されている。
図４に示す様に、ハイパスフィルタ部６ａは、オペアンプＯＰ１を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２を介して、チャージアンプ４の出力信号が入力される。また、この非反転入力端子（＋）は、抵抗器Ｒ１を介してＧＮＤライン（０［Ｖ］）に接続されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子（−）は、抵抗器Ｒ２を介してＧＮＤラインに接続されるとともに、抵抗器Ｒ４を介してオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。
【００２３】
オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗器Ｒ３を介してコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との接続点に接続されており、これによりオペアンプＯＰ１の出力端子はコンデンサＣ２および抵抗器Ｒ３を介して、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子（＋）に接続された状態となっている。また、オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗器Ｒ５を介してＧＮＤラインに接続されている。
【００２４】
このように構成されたハイパスフィルタ部６ａは、チャージアンプ４の出力信号の内、所定のカットオフ周波数（本実施形態では６ｋＨｚ）以上の周波数成分を通過させ、オペアンプＯＰ１の出力端子から出力するよう機能する。
一方、ローパスフィルタ部６ｂは、オペアンプＯＰ２を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続された抵抗器Ｒ６、Ｒ７を介してオペアンプＯＰ１の出力端子が接続され、ハイパスフィルタ部６ａの出力信号が入力される。また、この非反転入力端子（＋）は、コンデンサＣ３を介してＧＮＤラインに接続されている。オペアンプＯＰ２の反転入力端子（−）は、抵抗器Ｒ８を介してＧＮＤラインに接続されるとともに、抵抗器Ｒ９を介してオペアンプＯＰ２の出力端子に接続されている。
【００２５】
オペアンプＯＰ２の出力端子は、コンデンサＣ４を介して抵抗器Ｒ６と抵抗器Ｒ７との接続点に接続されており、これによりオペアンプＯＰ２の出力端子はコンデンサＣ４および抵抗器Ｒ７を介して、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子（＋）に接続された状態となっている。また、オペアンプＯＰ２の出力端子は、抵抗器Ｒ１０を介してＧＮＤラインに接続されている。
【００２６】
このように構成されたローパスフィルタ部６ｂは、ハイパスフィルタ部６ａの出力信号の内、所定のカットオフ周波数（本実施形態では１０ｋＨｚ）以下の周波数成分を通過させるよう機能する。
つまり、バンドパスフィルタ６は、チャージアンプ４の出力信号の内、所定の通過帯域（本実施形態では、６ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ）の周波数成分を通過させ、オペアンプＯＰ２の出力端子から出力信号Ｖａとして出力するよう機能することになる。
【００２７】
なお、バンドパスフィルタ６を構成するオペアンプＯＰ１，ＯＰ２においては、各オペアンプＯＰ１，ＯＰ２の一対の電源入力端子の一方にプラス電源（本実施形態では＋５Ｖ）が接続され、他方の電源入力端子にはＧＮＤラインが接続されている。即ち、オペアンプＯＰ１およびオペアンプＯＰ２は、単電源動作するように設けられていることにより、測定系のアースグラウンド（０Ｖ）であるカットオフ電圧レベル以上のみを通過させる電圧カットフィルタとして夫々機能している。そのため、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａは、その信号レベルがカットオフ電圧レベル以上となるよう整流された信号となる。
【００２８】
本実施例では、以上の様にノッキング周波数帯を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上のみとなるように設定されたバンドパスフィルタ６で、圧力センサＳの信号をフィルタリングしている。
次に増幅回路８は、オペアンプＯＰ３を有する構成とされており、その非反転入力端子（＋）には、直列に接続された抵抗器Ｒ１２を介してオペアンプＯＰ２の出力端子が接続され、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａが入力される。また、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋）は、抵抗器Ｒ１１を介してＧＮＤラインに接続されていると共に、抵抗器Ｒ１３を介して、オペアンプＯＰ３の出力端子に接続されている。即ち増幅回路８は、非反転増幅回路として構成されたものであり、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａを、抵抗器Ｒ１１と抵抗器Ｒ１３との比で定まる倍率で単に増幅する。
【００２９】
ローパスフィルタ１０は、抵抗器Ｒ１４とコンデンサＣ５とからなるものであり、この抵抗器Ｒ１４の一端にはオペアンプＯＰ３の出力端子が接続されており、抵抗器Ｒ１４の他端はコンデンサＣ５を介してＧＮＤラインに接続されている。この様に構成されることによりローパスフィルタ１０は、増幅回路８の出力信号の内、所定のカットオフ周波数（ノッキング周波数帯よりも低い周波数）以下の周波数成分が通過して、抵抗器Ｒ１４とコンデンサＣ５との接続点から、出力信号Ｖｂとして出力するよう機能する。
【００３０】
ＣＰＵ１２は、ノッキングが発生していないと分かっている期間におけるバックグラウンドレベル検出回路５からの信号をサンプリングし、それをＡ／Ｄ変換して、バックグラウンドレベルを求める。またＣＰＵ１２は、バックグラウンドレベル検出回路５だけでなく、圧力センサＳの出力信号をバンドパスフィルタ或いはハイパスフィルタに通過させた出力のピーク値を検出するピークホールド回路、又はそれらのフィルタ通過後の出力を積分する積分回路との間でも信号の入出力を行っている。そして、ＣＰＵ１２は、例えばノッキングの発生中においてピークホールド回路（図示せず）を介して得られたピーク値と、バックグラウンドレベルとに基づいてノッキング発生の判定を行う。
【００３１】
なお、図示しないが、本実施形態の圧力センサＳは内燃機関２１の気筒毎に設けられるものであるため、気筒数に応じて圧力センサＳが複数ある場合には、各圧力センサＳごとにチャージアンプ４およびバックグラウンドレベル検出回路５が設けられる。
【００３２】
ここで、図５にチャージアンプ４の出力信号（▲１▼）、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａ（▲２▼）およびローパスフィルタ１０の出力信号Ｖｂ（▲３▼）を示す。なお、図５に示す横軸の１目盛は２ｍｓに当たる。
チャージアンプ４の出力信号（▲１▼）のうちノッキング周波数成分が、バンドパスフィルタ６により出力信号Ｖａ（▲２▼）として抽出され、更に、ローパスフィルタ１０を通過することで、高周波数成分が抑制された出力信号Ｖｂ（▲３▼）となる。なお、図５に示した出力信号Ｖｂ（▲３▼）は、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を５００Ｈｚに設定した場合におけるものである。
【００３３】
この様に、本実施形態の方法では、圧力センサＳからの出力信号のうち、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない信号を、バンドパスフィルタ６でフィルタリングし、更に、そのバンドパスフィルタ６の出力信号を、ローパスフィルタ１０でフィルタリングする。そして、このローパスフィルタ１０の出力信号に基づいてバックグラウンドレベルを検出する。つまり、バックグラウンドレベルを得るためのサンプリングを、ローパスフィルタを通過させた信号を対象として行っており、その信号では高周波成分が抑制されて平均化されているため、サンプリングを高速化しなくても、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができる。
【００３４】
また図６において、最上段には、バンドパスフィルタ６の出力信号Ｖａを示しており、その下には、上から順に、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を１ｋＨｚ、５００Ｈｚおよび１００Ｈｚと設定した各場合における出力信号Ｖｂを示している。また、図７には、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数とバックグラウンドレベルの検出結果との関係を示している。
【００３５】
図６および図７からは、ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数を低く設定するほど、高周波成分が更に除去された出力信号Ｖｂを得ることができ、その結果、バックグラウンドレベルのばらつきが収斂していくことがわかる（この様子を図７中に実線で示す）。つまりサンプリング周波数を高くしなくても、精度良くバックグラウンドレベルを得ることができ、特に１００Ｈｚ以下では、ばらつきが極めて少ないことがわかる。
【００３６】
また、圧力センサＳはいわゆる座型圧力センサとして構成されており、その出力信号には、ピストンスラップ、シリンダヘッドのひずみ、吸気弁や排気弁の着座などに起因した信号成分が畳重してバックグラウンド成分となる可能性が高いが、それらに起因する信号成分のレベルについても精度良くバックグラウンドレベルとして求めることができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。
たとえば上記実施形態では、バンドパスフィルタ６を、電圧カットフィルタが一体となったものとして説明したが、これに限られるものではない。たとえば、オペアンプＯＰ１およびオペアンプＯＰ２を両電源（正負一対の電源を有するものをいう。例えば±５Ｖ）で動作させ、バンドパスフィルタ６から電圧カットフィルタとしての機能を除き、そしてバンドパスフィルタ６とローパスフィルタ１０との間に、電圧カットフィルタをバンドパスフィルタ６とは別個のものとして設けてもよい。
【００３８】
また、電圧カットフィルタをバンドパスフィルタ６とは別個のものとする場合、その電圧カットフィルタは、後段のローパスフィルタと一体に構成してもよい。たとえば、図４の増幅回路８およびローパスフィルタ１０を、ローパスフィルタ部６ｂで置き換えることが考えられる。
【００３９】
また、上記実施形態では、カットオフ電圧（上記実施形態ではアースグラウンド）以上のみの信号を通過させ或いは出力するものとして説明したが、これに限られず、カットオフ電圧以下のみの信号を通過させ或いは出力するものとして構成してもよい。これは、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２などの一方の電源入力端子にＧＮＤラインを接続し、他方の電源入力ラインにマイナス電源（例えば、−５Ｖ）を接続することで実現できる。
【００４０】
また、上記実施形態では、座型圧力センサとして、点火プラグ２３に一体に設けられたいわゆるプラグ一体型圧力センサ（ＰＧＰＳ）を用いるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば図８に示す様に、点火プラグとは別体に構成された座金型燃焼圧センサ（ＧＰＳ）Ｓ’を、座型圧力センサとして用いた場合にも、本発明を適用できる。
【００４１】
なお、この座金型燃焼圧センサＳ’は、点火プラグの取り付け座とエンジン２１との間にて点火プラグの締め付けにより固定され、その状態で点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するものである。座金型燃焼圧センサＳ’は、点火プラグの取り付け座とエンジンヘッドとの間をシールするガスケット２０１などを備え、シールド線２０５を介して圧電素子での発生電荷を外部に出力するよう構成されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 内燃機関制御装置の構成を示す説明図である。
【図２】 内燃機関における圧力センサの配設位置を示す説明図である。
【図３】 圧力センサが設けられる点火プラグを示す説明図である。
【図４】 バックグラウンドレベル検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】 圧力センサの出力信号およびバックグラウンドレベル検出回路内での信号の波形を示す図である。
【図６】 バンドパスフィルタおよびローパスフィルタの出力信号を示す図である。
【図７】 ローパスフィルタ１０のカットオフ周波数とバックグラウンドレベルの検出結果との関係を示す図である。
【図８】 座型圧力センサの変形例を示す説明図である。
【符号の説明】
４…チャージアンプ
５…バックグラウンドレベル検出回路
６…バンドパスフィルタ
１０…ローパスフィルタ
２１…内燃機関 ２３…点火プラグ
２５…燃焼室 Ｓ…圧力センサ
Ｖａ…バンドパスフィルタの出力信号
Ｖｂ…ローパスフィルタの出力信号
Claims (6)
- 内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、
前記バンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、カットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみ通過させる電圧カットフィルタでフィルタリングし、
前記電圧カットフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングし、
前記ローパスフィルタの出力信号によって、前記圧力センサの信号に含まれるノッキング以外の要因によって発生する信号のレベルであるバックグラウンドレベルを検出する事
を特徴とするノッキングの検出方法。 - 内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみに設定されたバンドパスフィルタでフィルタリングし、
前記バンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とするローパスフィルタでフィルタリングし、
前記ローパスフィルタの出力信号によって、前記圧力センサの信号に含まれるノッキング以外の要因によって発生する信号のレベルであるバックグラウンドレベルを検出する事
を特徴とするノッキングの検出方法。 - 内燃機関の燃焼室の筒内圧を検出する圧力センサの信号を、ノッキングに因る振動成分が畳重されていない期間において、ノッキング周波数帯を通過帯域とするバンドパスフィルタでフィルタリングし、
前記バンドパスフィルタでフィルタリングされた信号を、ノッキング周波数帯よりも低いカットオフ周波数以下を通過帯域とし且つ出力がカットオフ電圧レベル以上又はカットオフ電圧レベル以下のみに設定されたローパスフィルタでフィルタリングし、
前記ローパスフィルタの出力信号によって、前記圧力センサの信号に含まれるノッキング以外の要因によって発生する信号のレベルであるバックグラウンドレベルを検出する事
を特徴とするノッキングの検出方法。 - 前記カットオフ電圧が測定系のアースグラウンドである事
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のノッキングの検出方法。 - 前記ローパスフィルタのカットオフ周波数が１００Ｈｚ以下である事
を特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のノッキングの検出方法。 - 前記圧力センサは、内燃機関に用いられる点火プラグの取り付け座に設けられ、点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するものである事、
を特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のノッキングの検出方法。
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