JP4482571B2 - 内燃機関のノック検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の燃焼時に生じるイオン電流波形に基づいてノッキング（以下、「ノック」と略称する）の発生の有無を検出する内燃機関のノック検出装置に関するものである。

一般に、内燃機関の気筒内において燃料が燃焼するとイオンが発生するので、気筒内に高電圧を印加したプローブを設置することによりイオン電流を観測することができる。また、イオン電流には、ノックと同じ振動周波数の振動成分が重畳することが知られている。そこで、従来から、イオン電流に重畳された振動成分を抽出することにより、ノック発生を検出してノック制御（点火時期のリタード補正）を行う装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された従来の内燃機関のノック検出装置では、点火時にイグニッションコイルで発生する２次電圧を用いてイオン電流観測用の高電圧を生成し、放電終了直後の点火プラグ端に高電圧を印加してイオン電流を測定し、イオン電流からバンドパスフィルタを介してノック周波数帯の振動成分（ノック信号）を抽出し、ノック信号を増幅後に検出閾値と比較して波形整形することにより、ノックパルスを生成している。

以下、ノックパルスは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に送られて、ノックが発生しているか否かの判定に用いられ、ＥＣＵは、この判定結果に基づいてノック発生時の点火時期リタード制御を行う。

しかしながら、内燃機関の運転状態によっては、ノックが発生していないにもかかわらず、イオン電流にノック周波数と同一の振動成分が重畳する場合がある。
また、エンジンによっては、ノックの発生によらず、気筒内に圧力の脈動の発生するものがあり、この圧力脈動の発生にともなって、イオン電流波形上にも振動成分が重畳することが知られている。

特開平１０−９１０８号公報

従来の内燃機関のノック検出装置では、バンドパスフィルタなどを用いてノック振動成分を抽出しているので、ノック周波数と同一周波数成分をもつノイズ成分をノックと区別することはできないという課題があった。
特に、イオン電流信号（イオン電流の検出信号）に基づくノック検出装置においては、大きなノック発生にともなう振動信号に引けをとらないレベルの振動振幅強度および振動持続時間を有するノイズ成分がイオン電流信号に重畳されるので、イオン電流信号からノック信号のみを抽出することは非常に困難になるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ノック発生時には、短時間の大きな燃焼で燃料および燃焼空気が消費されることから、イオン電流信号の減衰速度が速く、所定のタイミング（クランク角）以降の燃焼行程終期にイオン電流信号がほとんど発生せず、ノイズ成分も発生しないことに着目し、ノック振動と同一の周波数を有するノイズ成分がイオン電流信号に重畳しても、ノイズ成分の影響を受けずにノック発生を精度よく検出することができる内燃機関のノック検出装置を得ることを目的とする。

この発明による内燃機関のノック検出装置は、内燃機関の燃焼時に発生するイオンに基づくイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流に基づきノック信号を検出するノック信号検出手段と、内燃機関の回転位置に対応したクランク角を検出するクランク角検出手段と、内燃機関の燃焼行程終期に対応した所定クランク角以降にノイズ検出用のウィンドウを設定するウィンドウ設定手段と、ウィンドウ内におけるイオン電流の周波数成分強度に基づいて第１のノイズ成分を検出する第１のノイズ成分検出手段と、ウィンドウ内におけるイオン電流発生量に基づいて第２のノイズ成分を検出する第２のノイズ成分検出手段と、第１および第２のノイズ成分とノック信号との関係に基づいてノック発生の有無を判定するノック判定手段とを備え、ノック判定手段は、第１および第２のノイズ成分に対する第１および第２の閾値を設定する閾値設定手段と、第１および第２のノイズ成分と第１および第２の閾値とをそれぞれ比較する比較手段とを含み、ノック信号が所定値よりも大きく、かつ第１のノイズ成分が第１の閾値よりも小さく、かつ第２のノイズ成分が第２の閾値よりも小さい場合のみに、ノック発生有と判定するものである。

この発明によれば、ノック発生時の燃焼行程終期にはイオン電流信号がほとんど発生せず、ノイズ成分も発生しないことに基づき、ノック振動と同一周波数のノイズ成分がイオン電流信号に重畳しても、ノイズ成分とノック信号とを高精度に判別して、ノック発生の有無を高精度かつ高効率に検出することができる。

実施の形態１．
以下、添付図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る内燃機関のノック検出装置を概略的に示すブロック構成図であり、図２は図１内のマイクロプロセッサ３の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。

図１において、内燃機関のノック検出装置は、内燃機関の燃焼時にイオン電流ｉを検出するイオン電流検出装置１と、イオン電流ｉをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置２と、Ａ／Ｄ変換後のイオン電流ｉを取り込むマイクロプロセッサ３と、マイクロプロセッサ３と相互に関連する内燃機関制御用のＥＣＵ９と、クランク角センサ８（図２参照）を含む各種センサ１５とを備えている。

また、ＥＣＵ９による制御される内燃機関（図示せず）には、点火信号Ｐに応答して駆動する点火装置１０と、点火装置１０により通電遮断駆動される点火コイル１３と、点火コイル１３から出力される高電圧により対向電極間に放電火花を発生する点火プラグ１４とが設けられている。点火プラグ１４は、内燃機関の燃焼室内に設けられており、放電火花により燃焼室内の混合気を爆発燃焼させる。

点火装置１０は、点火信号Ｐに応答して点火制御信号を生成するＩＣ１１と、ＩＣ１１からの点火制御信号によりオンオフされるパワートランジスタ１２とを備えている。
点火コイル１３は、パワートランジスタ１２により通電遮断される１次巻線１３ａと、１次巻線１３ａの通電遮断時に高電圧を発生して点火プラグ１４に印加する２次巻線１３ｂとを備えている。

点火コイル１３の２次巻線１３ｂおよび点火プラグ１４は、イオン電流検出装置１と関連しており、２次巻線１３ｂからの高電圧は、イオン電流検出用のバイアス電源としてイオン電流検出装置１に供給される。
また、イオン電流検出手段１は、内燃機関の燃焼後に点火プラグ１４の対向電極にバイアス電源の電圧を印加することにより、点火プラグ１４の周辺（燃焼室内）に発生するイオンをイオン電流ｉとして検出する。
イオン電流ｉの検出信号は、Ａ／Ｄ変換装置２を介して、アナログデータからデジタルデータに変換されてマイクロプロセッサ３に入力される。

各種センサ１５は、内燃機関の運転状態情報（クランク角信号ＳＧＴを含む）をＥＣＵ９およびマイクロプロセッサ３に入力する。
ＥＣＵ９は、運転状態に応じた点火信号Ｐを点火装置１０およびマイクロプロセッサ３に入力する。マイクロプロセッサ３は、イオン電流ｉ、クランク角信号ＳＧＴおよび点火信号Ｐに基づくノック判定結果（後述する）をＥＣＵ９に入力する。

図２において、各種センサ１５（図１参照）に含まれるクランク角センサ８は、内燃機関の回転位置に対応したクランク角を検出し、クランク角信号ＳＧＴをＥＣＵ９およびマイクロプロセッサ３に入力する。
マイクロプロセッサ３は、ノック信号検出手段４と、ウィンドウ設定手段５と、ノイズ成分検出手段６と、ノック判定手段７とを備えている。

ノック信号検出手段４は、Ａ／Ｄ変換後のイオン電流ｉに基づきノック信号Ｋｉを検出し、ノック信号Ｋｉをノック判定値（後述する）として出力する。
ウィンドウ設定手段５は、クランク角信号ＳＧＴおよび点火信号Ｐに基づき、内燃機関の燃焼行程終期に対応した所定クランク角以降にノイズ検出用のウィンドウＷｎを設定する。

ノイズ成分検出手段６は、ウィンドウＷｎ内におけるイオン電流ｉの周波数成分強度およびイオン電流発生量に基づいてノイズ成分Ｎｉを検出し、ノイズ成分Ｎｉをノイズ成分判定値（後述する）として出力する。

ノック判定手段７は、閾値設定手段７１および補正手段（後述する）を有し、ノイズ成分Ｎｉとノック信号Ｋｉとの関係に基づいて、最終的なノック発生の有無を判定し、ノック判定結果をＥＣＵ９に入力する。閾値設定手段７１は、ノイズ成分Ｎｉに対する比較基準となるノイズ検出用の閾値（後述する）を設定する。

次に、図１および図２とともに、図３〜図６のフローチャートおよび図７〜図１２の波形図を参照しながら、この発明の実施の形態１に係るマイクロプロセッサ３の動作について説明する。
図３〜図６は、マイクロプロセッサ３内のノック信号検出手段４、ウィンドウ設定手段５、ノイズ成分検出手段６およびノック判定手段７による、それぞれの処理動作を個別に示している。

図７はノック波形が重畳されたイオン電流ｉを示しており、横軸はクランク角ＣＡ［ｄｅｇ］である。図８は図７のイオン電流波形（ノック重畳）のＦＦＴパワー［ａ．ｕ．］のスペクトルを示しており、横軸は周波数［Ｈｚ］である。
図９はノイズ波形が重畳されたイオン電流ｉを示しており、図１０は図９のイオン電流波形（ノイズ重畳）のＦＦＴパワー［ａ．ｕ．］のスペクトルを示している。

図１１は図７のイオン電流波形（ノック重畳）の９０ＣＡ以降に設定された検出区間ＴＷｎでのＦＦＴパワー［ａ．ｕ．］のスペクトルを示している。
図１２は図９のイオン電流波形（ノイズ重畳）の９０ＣＡ以降に設定された検出区間ＴＷｎでのＦＦＴパワー［ａ．ｕ．］のスペクトルを示している。

まず、ウィンドウ設定手段５およびノイズ成分検出手段６の動作に先だって、図３を参照しながら、ノック信号検出手段４の動作について説明する。ノック信号検出手段４は、一例として、ＦＦＴ（フーリエ変換）を用いたノック検出処理を行うものとする。
図３において、まず、ノック信号検出手段４は、Ａ／Ｄ変換後のイオン電流ｉを取り込み（ステップＳ４１）、検出ウィンドウを設定する（ステップＳ４２）。
これにより、ノック信号検出手段４に入力されたイオン電流ｉは、検出ウィンドウに基づく必要区間の検出データのみが抽出され、さらに、イオン電流ｉには、検出データ端の影響を抑制するための窓関数が掛けられる。

次に、ノック信号検出手段４は、前処理（検出ウィンドウおよび窓関数など）が施されたイオン電流ｉの検出データをフーリエ変換して、ＦＦＴパワースペクトルに変換する（ステップＳ４３）。
続いて、ＦＦＴパワースペクトルの中で、ノックの固有振動周波数に相当するスペクトル強度（ノック周波数強度）ＰＫｆと、所定の閾値ＴＨｐとを比較し、ノック周波数強度ＰＫｆが閾値ＴＨｐ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４４）。

ステップＳ４４において、ＰＫｆ≧ＴＨｐ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ノック信号検出手段４は、ノックが発生していることを示すノック信号Ｋｉを出力して（ステップＳ４５）、図３の処理を終了する。
一方、ステップＳ４４において、ＰＫｆ＜ＴＨｐ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ノック信号検出手段４は、ノックが発生していない（否発生である）ことを示すノック信号Ｋｉを出力して（ステップＳ４６）、図３の処理を終了する。

ここで、内燃機関に発生するノックとイオン電流ｉとの関係について、具体的に説明する。
ノックとは、燃焼室内の圧力または温度が異常に上昇したときに、燃料が自己着火爆発を起こす現象と見なされている。

一般的な解析によれば、内燃機関においては、ピストンが上死点近傍にある時点で、燃焼火炎がピストン上面に達したときに、気筒内の異常な温度上昇にともなってノックが発生する。
また、ノックは燃焼室の内壁面で発生しやすく、ノック発生にともなう衝撃波は、主にボアの方向に拡散するので、燃焼室内に圧力振動の定在波が発生する。

従来の一般的なノック検出装置では、燃焼室内に発生する定在波にともなうノック振動を直接検出することにより、ノック発生の有無を判別しているが、イオン電流ｉを用いたノック検出装置では、図７および図８に基づき、ノック信号Ｋｉを検出している。
図７はノック発生時のイオン電流波形の一例を示し、図８は図７のノック重畳波形のＦＦＴパワーの周波数スペクトルを示す。
図７において、ノック振動が発生すると、気筒内に発生する圧力振動にともなう温度変化によって、電離確率の変動が発生するので、電離確率の変動によってイオン電流ｉに重畳される振動波を、図８のＦＦＴパワースペクトルに基づき検出することができる。

しかし、気筒内に発生する圧力振動は、ノックに依存するものに限らず、たとえば、燃焼乱れにともなうノイズ成分を含む。
図９はノイズ成分が重畳されたイオン電流ｉの波形を示し、図１０は図９のノイズ重畳波形のＦＦＴパワーの周波数スペクトルを示す。

ノイズ成分による圧力振動は定在波であるため、ノイズ成分の振動周波数は、図１０のＦＦＴパワースペクトルに示すように、ノックにともなうＦＦＴパワースペクトル（図８参照）と同一であり、振幅も同程度である。
そこで、マイクロプロセッサ３内のノイズ成分検出手段６は、イオン電流ｉに重畳されるノイズ成分の振動を検出して、ノイズ成分をノック振動と明確に区別する。

一般に、ノック発生時の燃焼においては、短時間のうちに大きな燃焼を起こして燃料および燃焼空気が消費されるので、イオン電流信号の減衰速度が速く、燃焼行程終期の所定タイミング以降にはノイズ成分も発生しない。
したがって、この点に着目して、ノイズ成分検出手段６は、ノイズ検出用のウィンドウＷｎに基づき、ノック以外に起因した振動とノックに起因した振動とを区別し、ノック検出精度の向上を実現している。

たとえば、図７のようにノック振動が重畳されたイオン電流ｉが入力された場合、イオン電流ｉのＦＦＴパワースペクトルは、図８のようになり、ノックの固有振動周波数は、「６ｋＨｚ」の近傍にある。
ここで、周波数６ｋＨｚの近傍のＦＦＴパワースペクトルの基準値（閾値ＴＨｐ）を、経験則にしたがって、５［ａ．ｕ．］とおくと、図８のパワースペクトルは、閾値ＴＨｐ（＝５［ａ．ｕ．］）を大きく上回るので、ノック信号検出手段４は、ステップＳ４４の判定結果として、大ノック発生の信号を出力する。たとえば、デジタルのパルス数でノック強度を表現する場合、ノック信号検出手段４は、大ノック発生を意味する「５パルス」をノック信号Ｋｉとして出力することになる。

また、図９のようにノイズ成分が重畳されたイオン電流ｉが入力された場合、イオン電流ｉのＦＦＴパワースペクトルは、図１０のようになり、同様の閾値ＴＨｐ（＝５［ａ．ｕ．］）と比較して大きく上回る。
したがって、ノイズ成分検出手段６を考慮しない場合には、ノック信号検出手段４は、図９のイオン電流波形に対しても、大ノック発生を意味する「５パルス」のノック信号Ｋｉを出力することになる。

次に、図４を参照しながら、ウィンドウ設定手段５の動作について説明する。
図４において、まず、ウィンドウ設定手段５は、クランク角信号ＳＧＴおよび点火信号Ｐを取り込む（ステップＳ５１）。
続いて、クランク角信号ＳＧＴおよび点火信号Ｐに基づき、燃焼行程終期に対応した所定クランク角以降に、ノイズ検出用のウィンドウＷｎを算出して（ステップＳ５２）、図４の処理を終了する。

ウィンドウ設定手段５により設定されたウィンドウＷｎは、ノイズ成分検出手段６に入力され、ノイズ成分検出手段６における検出区間ＴＷｎの設定に寄与する。
なお、検出区間ＴＷｎの基準値としては、９０ＣＡから次気筒の点火時期までのクランク角期間（角度基準区間）が設定される。

次に、図５を参照しながら、ノイズ成分検出手段６の動作について説明する。
図５において、まず、ノイズ成分検出手段６は、イオン電流ｉ（Ａ／Ｄ変換後のデジタルデータ）およびウィンドウＷｎ（設定データ）を取り込む（ステップＳ６１）。
続いて、ノイズ成分検出手段６は、入力されたイオン電流ｉに対する検出区間として、ウィンドウＷｎに基づいて所定クランク角以降に設定される検出区間（９０ＣＡから次気筒点火時期までのクランク角期間）のうち、必要な検出区間ＴＷｎを設定する（ステップＳ６２）。
これにより、検出区間ＴＷｎにおけるイオン電流ｉのデータのみが抽出され、さらに、検出データ端の影響を抑制するための窓関数が掛けられる。

続いて、ノイズ成分検出手段６は、前処理（検出区間ＴＷｎおよび窓関数）を施されたイオン電流ｉの検出データをフーリエ変換して、ＦＦＴパワースペクトルに変換する（ステップＳ６３）。
ノイズ成分検出手段６によるＦＦＴパワースペクトルの数値（ノイズ成分Ｎｉ）は、ノイズ成分判定値Ｎ１として、ノイズ成分検出手段６から出力される。

たとえば、図７のイオン電流波形（ノック重畳）が入力された場合、９０ＣＡ以降には振動成分が存在しないので、ＦＦＴパワースペクトルは、図１１のようになる。
したがって、ノイズ成分検出手段６は、図７のイオン電流波形に対して、「０」に近い値のＦＦＴパワースペクトルを、ノイズ成分判定値Ｎ１として出力する。

一方、図９のイオン電流波形（ノイズ重畳）が入力された場合、９０ＣＡ以降にも振動成分が存在するので、ＦＦＴパワースペクトルは、図１２のようになる。
したがって、ノイズ成分検出手段６は、図９のイオン電流波形に対して、周波数６ｋＨｚの近傍のＦＦＴパワースペクトルを、ノイズ成分判定値Ｎ１として出力する。

また、ノイズ成分検出手段６は、入力されたイオン電流ｉからイオン電流発生量（ノイズ成分判定値Ｎ２）を算出して（ステップＳ６４）、図５の処理を終了する。
具体的には、ステップＳ６４において、ノイズ成分検出手段６は、所定クランク角以降に設定される検出区間（９０ＣＡから次気筒点火時期までのクランク角期間）のうち、必要な検出区間ＴＷｎにおけるイオン電流ｉの検出データのみを抽出し、ノイズ成分のフィルタリング前処理を施した後、その平均値をノイズ成分判定値Ｎ２として出力する。

たとえば、ノイズ成分検出手段６は、図７のイオン電流波形（ノック重畳）が入力された場合には「０」に近い値をノイズ成分判定値Ｎ２として出力し、図９のイオン電流波形（ノイズ重畳）が入力された場合には、或る程度の値をノイズ成分判定値Ｎ２として出力する。

ノック信号検出手段４からのノック信号Ｋｉ（ノック判定値）およびノイズ成分検出手段６からのノイズ成分Ｎｉ（ノイズ成分判定値Ｎ１、Ｎ２）は、ノック判定手段７に入力される。
最後に、ノック判定手段７は、ノック判定値Ｋｉおよびノイズ成分判定値Ｎ１、Ｎ２に基づき、ノック判定値Ｋｉの信頼性診断を行い、最終的なノック判定結果を出力する。

次に、図６を参照しながら、ノック判定手段７の動作について説明する。
図６において、まず、ノック判定手段７は、ノック信号検出手段４からのノック信号Ｋｉ（ノック判定値）を取り込み、ノック判定値Ｋｉが所定の閾値ＴＨｋ以上（ノック発生を示す値）であるか否かを判定する（ステップＳ７１）。

ステップＳ７１において、Ｋｉ＜ＴＨｋ（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ノック信号検出手段４がノック否発生を示すノック信号Ｋｉを出力しているので、ノック判定手段７は、ノイズ成分Ｎｉの値にかかわらず、ノイズ成分（ノック否発生）を示すノック判定結果を出力して（ステップＳ７４）、図６の処理を終了する。

一方、ステップＳ７１において、Ｋｉ≧ＴＨｋ（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ノック信号検出手段４がノック発生を示すノック信号Ｋｉを出力しているので、続いて、ノック判定手段７は、ノイズ成分判定値Ｎ１（イオン電流ｉの周波数成分強度）と所定の閾値ＴＨ１とを比較して、ノイズ成分判定値Ｎ１が閾値ＴＨ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ７２）。

ステップＳ７２において、Ｎ１≧ＴＨ１（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ノイズ成分検出手段６が高レベルのノイズ成分判定値Ｎ１を出力しているので、ノック信号Ｋｉの信頼性が低いものと見なして、前述のステップＳ７４に進み、ノック判定手段７は、ノック否発生を示すノック判定結果を出力する。

一方、ステップＳ７２において、Ｎ１＜ＴＨ１（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ノイズ成分判定値Ｎ１が低レベルなので、続いて、ノック判定手段７は、ノイズ成分判定値Ｎ２（イオン電流発生量）と所定の閾値ＴＨ２とを比較して、ノイズ成分判定値Ｎ２が閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ７３）。

ステップＳ７３において、Ｎ２≧ＴＨ２（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、ノイズ成分判定値Ｎ２が高レベルであって、ノック信号Ｋｉの信頼性が低いものと見なして、前述のステップＳ７４に進み、ノック判定手段７は、ノック否発生を示すノック判定結果を出力する。

一方、ステップＳ７３において、Ｎ２＜ＴＨ２（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ノイズ成分判定値Ｎ２が低レベルであって、ノック信号Ｋｉの信頼性が高いものと見なし、ノック判定手段７は、ノック発生を示すノック判定結果を出力して、図６の処理を終了する。

たとえば、図７のイオン電流波形（ノック重畳）を例にとった場合、ノック信号Ｋｉを「５パルス」とし、ノイズ成分判定値Ｎ１（ノイズ成分Ｎｉ）を「０．１」とする（図１１参照）。
このとき、ステップＳ７２における閾値ＴＨ１を、経験則に基づいて「１」に設定すると、ノイズ成分判定値Ｎ１（＝０．１）＜閾値ＴＨ１（＝１）となるので、ノック信号Ｋｉ（＝５パルス）は、そのまま、ノック判定手段７によるノック判定結果として出力される。

一方、図９のイオン電流波形（ノイズ重畳）の場合には、ノック信号Ｋｉを同様に「５パルス」とすると、ステップＳ７２において、ノイズ成分判定値Ｎ１（≒５）（図１２参照）が閾値ＴＨ１と比較される。
この場合、ノイズ成分判定値Ｎ１（≒５）≧閾値ＴＨ１（＝１）となるので、ノック信号Ｋｉ（＝５パルス）の信頼性が低いと判定され、ノック判定手段６は、ノックが発生していないことを示す「０パルス」のノック判定結果を出力する。

以上のことは、ステップＳ７３のノイズ判定処理においても同様であり、ノック判定手段７は、ノイズ成分Ｎｉの影響を除去したノック判定結果を出力することができる。
この結果、ノック波形（図７）と燃焼乱れにともなうノイズ重畳波形（図９）とを区別することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る内燃機関のノック検出装置は、内燃機関の燃焼時に発生するイオンに基づくイオン電流ｉを検出するイオン電流検出装置１と、イオン電流ｉに基づきノック信号Ｋｉを検出するノック信号検出手段４と、内燃機関の回転位置に対応したクランク角を検出するクランク角センサ８と、内燃機関の燃焼行程終期に対応した所定クランク角以降にノイズ検出用のウィンドウＷｎを設定するウィンドウ設定手段５と、ウィンドウＷｎ内におけるイオン電流ｉの周波数成分強度に基づいて第１のノイズ成分を検出する第１のノイズ成分検出手段（ノイズ成分検出手段６）と、ウィンドウＷｎ内におけるイオン電流発生量に基づいて第２のノイズ成分を検出する第２のノイズ成分検出手段（ノイズ成分検出手段６）と、第１および第２のノイズ成分（ノイズ成分Ｎｉ）とノック信号Ｋｉとの関係に基づいてノック発生の有無を判定するノック判定手段７とを備えている。
ノック判定手段７は、第１および第２のノイズ成分に対する第１および第２の閾値を設定する閾値設定手段７１と、第１および第２のノイズ成分と第１および第２の閾値とをそれぞれ比較する比較手段とを含み、ノック信号Ｋｉが所定値（閾値）よりも大きく、かつ第１のノイズ成分が第１の閾値ＴＨ１よりも小さく、かつ第２のノイズ成分が第２の閾値ＴＨ２よりも小さい場合のみに、ノック発生有と判定する。

ノイズ成分検出手段６は、ウィンドウＷｎに基づいて所定の検出区間ＴＷｎを設定する検出区間設定手段を含み、検出区間ＴＷｎ内でのイオン電流ｉの周波数成分強度をノイズ成分Ｎｉ（ノイズ成分判定値Ｎ１）として出力する。
また、ノイズ成分検出手段６は、検出区間ＴＷｎ内のイオン電流発生量をノイズ成分Ｎｉ（ノイズ成分判定値Ｎ２）として出力する。

ノック判定手段７は、ノイズ成分Ｎｉ（ノイズ成分判定値Ｎ１、Ｎ２）に対する閾値ＴＨ１、ＴＨ２を設定する閾値設定手段７１と、ノイズ成分Ｎｉと閾値ＴＨ１、ＴＨ２とを比較する比較手段（ステップＳ７２、Ｓ７３）と、比較手段の比較結果に応じてノック信号Ｋｉを補正して、最終的なノック判定結果として出力する補正手段（ステップＳ７４、Ｓ７５）とを含む。

これにより、ノック判定手段７において、ノック発生の誤判定を抑制することができ、ノック検出装置としての検出精度を向上させることができる。
すなわち、ノック発生時の燃焼行程終期にはイオン電流ｉがほとんど発生せず、ノイズ成分Ｎｉも発生しないことに基づき、ノック振動と同一周波数のノイズ成分がイオン電流ｉに重畳しても、ノイズ成分Ｎｉとノック信号Ｋｉとを精度よく判別して、最終的なノック判定結果を得ることにより、ノック発生の有無を高精度かつ高効率に検出することができる。

また、内燃機関の個体差や経年変化などのイオン電流ｉの検出状態の変化に対応することができ、信頼性を向上させることができる。
また、点火装置１０へのノック誤判定による影響を軽減して、排気ガスの悪化を抑制することができる。

なお、上記実施の形態１では、ノイズ成分検出手段５における検出区間ＴＷｎを、９０ＣＡ以降から次気筒の点火時期までの角度基準区間として設定したが、これに限定されることはなく、時間基準であっても、データ数基準であっても、同等の作用効果を奏することができる。

また、ノイズ成分検出手段６（検出区間設定手段）において設定される検出区間ＴＷｎの開始位置および終了位置は、各種センサ１５によって検出される内燃機関の運転状態に応じて、あらかじめ任意に設定されるマップ値に基づいて設定してもよい。

実施の形態２．
また、上記実施の形態１では、ノック判定手段７の処理（ステップＳ７２、Ｓ７３）において、ノイズ成分判定値Ｎ１、Ｎ２に対する閾値ＴＨ１、ＴＨ２を所定値としたが、内燃機関の運転状態（たとえば、エンジン回転数や負荷）に応じて、あらかじめ設定されるマップ値に基づいて設定してもよい。これにより、運転状態の影響を受けやすいイオン電流ｉを用いたノック検出装置の信頼性および検出精度をさらに向上させることができる。

実施の形態３．
また、上記実施の形態１では、ノック判定手段７の処理（ステップＳ７２、Ｓ７３）において、ノック信号Ｋｉの信頼性が低いと判定された場合に、ノック信号Ｋｉの値にかかわらず、ノック否発生を示すノック判定結果を出力（ステップＳ７４）したが、所定量だけ減算（または、所定割合に減算）してもよい。
この場合、補正手段（ステップＳ７４）は、比較手段（ステップＳ７２、Ｓ７３）の比較結果に応じて補正値（所定量）を設定するとともに、補正値をノック信号Ｋｉに加減算して、最終的なノック判定結果として出力する。

たとえば、ノック判定手段７は、大ノックを示す「５パルス」のノック信号Ｋｉが入力され、かつ、ステップＳ７２、Ｓ７３において、ノック信号Ｋｉの信頼性が低いと判定された場合には、ノック信号Ｋｉから、最終的なノック判定結果が「０パルス」を下回らないように、「３パルス」だけ減算して「２パルス」として、小ノック発生の可能性を示すノック判定結果に変更して出力する。これにより、ノイズ成分検出手段６の誤判定の可能性を抑制することができ、かつ、ノイズ成分Ｎｉに起因したノック誤判定による点火時期リタード制御を抑制することができる。

実施の形態４．
また、上記実施の形態１、３では、ノック判定手段７の処理（ステップＳ７２、Ｓ７３）において、ノック信号Ｋｉの信頼性が低いか否か（二者択一）を判定したが、閾値ＴＨ１、ＴＨ２からの差分（または、閾値ＴＨ１、ＴＨ２との割合、または、その関数値）に応じて、ノック信号Ｋｉに対する補正量を調整してもよい。

この場合、比較手段（ステップＳ７２、Ｓ７３）は、ノイズ成分判定値Ｎ１、Ｎ２と閾値ＴＨ１、ＴＨ２との差分（または、比率）を比較結果として出力する。
たとえば、ノック信号Ｋｉ（＝５パルス）に対して、ノイズ成分判定値Ｎ１（検出区間ＴＷｎのＦＦＴパワースペクトル）と閾値ＴＨ１（＝１）との差分（＝Ｎ１−ＴＨ１）が「２未満」であれば、「−２パルス」による減算補正を行い、差分が「２〜３の範囲内」であれば、「−４パルス」による減算補正を行い、差分が「３以上」であれば、「−５パルス」による減算補正を行うことができる。

または、ノック信号Ｋｉ（＝５パルス）に対して、ノイズ成分判定値Ｎ１と閾値ＴＨ１との差分に代えて、両者の比率を考慮し、ノイズ成分判定値Ｎ１が閾値ＴＨ１の２倍以下であれば、「−３パルス」による減算補正を行い、比率が「３倍以上」であれば、「−５パルス」による減算補正を行うことができる。
同様の補正処理は、閾値ＴＨ２に対しても適用することができる。
なお、補正手段は、ノック信号Ｋｉに対する加減算補正に限らず、ステップＳ７２、Ｓ７３の比較結果に応じて設定された補正値を、ノック信号Ｋｉに乗除算してもよい。

これにより、最終的なノック判定結果の調整範囲が広がり、さらに効率よくノイズ成分検出装置の誤判定の可能性を抑制することができ、かつ、ノイズ成分Ｎｉに起因したノック誤判定による点火時期リタード制御を抑制することができる。
また、これらの差分や割合（または、関数）を、運転状態に応じたマップ値とすることにより、さらに効率よくノック誤判定を回避することができる。

上記実施の形態１では、イオン電流ｉに基づくノック信号検出手段４を用いたが、図１３に示すように、イオン電流ｉに依存しないノック信号検出手段４Ａを用いてもよい。
図１３はこの参考例によるマイクロプロセッサ３Ａの具体的な構成例を示す機能ブロック図であり、前述（図２参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

この場合、ノック信号検出手段４Ａは、内燃機関のノック振動に応じたノック信号Ｋを検出して、マイクロプロセッサ３Ａ内のノック判定手段７Ａに入力する。
ノック信号検出手段４Ａとしては、たとえば、非共振方式のノックセンサや、気筒内圧力を検出する圧力センサとバンドパスフィルタとを組み合わせたノックセンサなどが用いられる。

この場合も、クランク角信号ＳＧＴおよび点火信号Ｐに基づくウィンドウ設定手段５と、イオン電流ｉの検出データに基づくノイズ成分検出手段６とを用いることにより、ノック信号Ｋの信頼性を判定することができ、ノック判定手段７におけるノック検出精度を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１〜４に係る内燃機関のノック検出装置は、自動車、二輪車、船外機、または他の特機などに搭載された任意の内燃機関に適用可能であり、内燃機関の運転効率向上のエミッション低減などによる環境保全に役立てられ得ることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関のノック検出装置を概略的に示すブロック構成図である。 図１内のマイクロプロセッサの具体的な構成例を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態１によるノック検出処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１によるウィンドウ設定処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１によるノイズ成分検出処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１によるノック判定処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に関するノック重畳時のイオン電流を示す波形図である。 図７のイオン電流波形のＦＦＴパワースペクトルを示す波形図である。 この発明の実施の形態１に関するノイズ重畳時のイオン電流を示す波形図である。 図９のイオン電流波形のＦＦＴパワースペクトルを示す波形図である。 この発明の実施の形態１による図７のイオン電流波形の９０ＣＡ以降に設定された区間のＦＦＴパワースペクトルを示す波形図である。 この発明の実施の形態１による図９のイオン電流波形の９０ＣＡ以降に設定された区間のＦＦＴパワースペクトルを示す波形図である。 この発明に関連した参考例に係るマイクロプロセッサの具体的な構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ イオン電流検出装置、２ Ａ／Ｄ変換装置、３、３Ａ マイクロプロセッサ、４、４Ａ ノック信号検出手段、５ ウィンドウ設定手段、６ ノイズ成分検出手段、７、７Ａ ノック判定手段、８ クランク角センサ、９ ＥＣＵ、７１ 閾値設定手段、１０ 点火装置、１３ 点火コイル、１４ 点火プラグ、１５ 各種センサ、ｉ イオン電流、Ｋｉ ノック信号（ノック判定値）、Ｐ 点火信号、ＳＧＴ クランク角信号、Ｎｉ ノイズ成分（ノイズ成分判定値）、Ｎ１、Ｎ２ ノイズ成分判定値、ＴＨ１、ＴＨ２ 閾値、Ｗｎ ウィンドウ、ＴＷｎ 検出区間。

Claims (9)

1. 内燃機関の燃焼時に発生するイオンに基づくイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   前記イオン電流に基づきノック信号を検出するノック信号検出手段と、
   前記内燃機関の回転位置に対応したクランク角を検出するクランク角検出手段と、
   前記内燃機関の燃焼行程終期に対応した所定クランク角以降にノイズ検出用のウィンドウを設定するウィンドウ設定手段と、
   前記ウィンドウ内におけるイオン電流の周波数成分強度に基づいて第１のノイズ成分を検出する第１のノイズ成分検出手段と、
   前記ウィンドウ内におけるイオン電流発生量に基づいて第２のノイズ成分を検出する第２のノイズ成分検出手段と、
   前記第１および第２のノイズ成分と前記ノック信号との関係に基づいてノック発生の有無を判定するノック判定手段とを備え、
   前記ノック判定手段は、
   前記第１および第２のノイズ成分に対する第１および第２の閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記第１および第２のノイズ成分と前記第１および第２の閾値とをそれぞれ比較する比較手段とを含み、
   前記ノック信号が所定値よりも大きく、かつ前記第１のノイズ成分が前記第１の閾値よりも小さく、かつ前記第２のノイズ成分が前記第２の閾値よりも小さい場合のみに、ノック発生有と判定することを特徴とする内燃機関のノック検出装置。
2. 前記第１のノイズ成分検出手段は、前記ウィンドウに基づいて所定の検出区間を設定する検出区間設定手段を含み、前記検出区間内のイオン電流の周波数成分強度を前記第１のノイズ成分として出力し、
   前記第２のノイズ成分検出手段は、前記ウィンドウに基づいて所定の検出区間を設定する検出区間設定手段を含み、前記検出区間内の前記イオン電流発生量を前記第２のノイズ成分として出力することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック検出装置。
3. 前記検出区間設定手段は、前記内燃機関の運転状態に応じてあらかじめ設定されるマップ値に基づいて、前記検出区間を設定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のノック検出装置。
4. 前記ノック判定手段は、前記比較手段の比較結果に応じて前記ノック信号を補正する補正手段を含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関のノック検出装置。
5. 前記補正手段は、前記比較結果に応じて補正値を設定するとともに、前記補正値を前記ノック信号に加減算することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のノック検出装置。
6. 前記補正手段は、前記比較結果に応じて補正値を設定するとともに、前記補正値を前記ノック信号に乗除算することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のノック検出装置。
7. 前記閾値設定手段は、前記内燃機関の運転状態に応じてあらかじめ設定されるマップ値に基づいて、前記第１および第２の閾値を設定することを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の内燃機関のノック検出装置。
8. 前記比較手段は、前記第１および第２のノイズ成分と前記第１および第２の閾値との差分を前記比較結果として出力することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関のノック検出装置。
9. 前記比較手段は、前記第１および第２のノイズ成分と前記第１および第２の閾値との比率を前記比較結果として出力することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関のノック検出装置。

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