JP4491373B2 - 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判定装置である。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、予め定めれたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に設けられる部品の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態で測定された基準振動波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と前記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、予め定められたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に設けられる部品（たとえば、吸気バルブ）の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態で測定された基準振動波形を予め記憶し、判定手段が、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る基準振動波形を予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に設けられる部品の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態で基準振動波形を測定することにより、ノッキング以外のノイズによる振動を排除して基準振動波形を作成することができる。そのため、精度の高い基準振動波形を作成することができる。また、作成された基準振動波形を記憶しておき、この基準振動波形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。その結果、精度よく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においては、第１の発明の構成に加えて、部品は、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブである。基準振動波形は、予め定められたクランク角の間において、吸気バルブおよび排気バルブが着座しない運転状態で測定された波形である。

第２の発明によると、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る基準振動波形を予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの着座時に発生する振動が重畳しないように、予め定められたクランク角の間において、吸気バルブおよび排気バルブが着座しない運転状態で基準振動波形を測定する。これにより、ノッキング以外のノイズによる振動を排除して基準振動波形を作成することができるため、精度の高い基準振動波形を作成することができる。

第３の発明に係るノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加えて、部品は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置である。基準振動波形は、予め定められたクランク角の間において、燃料噴射装置が作動しない運転状態で測定された波形である。

第３の発明によると、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る基準振動波形を予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置の作動に起因して発生する振動が重畳しないように、予め定められたクランク角の間において、燃料噴射装置が作動しない運転状態で基準振動波形を測定する。これにより、ノッキング以外のノイズによる振動を排除して基準振動波形を作成することができるため、精度の高い基準振動波形を作成することができる。

第４の発明に係るノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加えて、部品は、内燃機関に噴射される燃料の圧力に応じて開状態および閉状態のいずれかの状態に切り換わるバルブである。基準振動波形は、予め定められたクランク角の間において、バルブが作動しない運転状態で測定された波形である。

第４の発明によると、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る基準振動波形を予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に噴射される燃料の圧力に応じて開状態および閉状態のいずれかの状態に切り換わるバルブ（たとえば、リリーフバルブ）に起因して発生する振動が重畳しないように、予め定められたクランク角の間において、バルブが作動しない運転状態で基準振動波形を測定する。これにより、ノッキング以外のノイズによる振動を排除して基準振動波形を作成することができるため、精度の高い基準振動波形を作成することができる。

第５の発明に係るノッキング判定装置は、内燃機関のノッキング判定装置である。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、予め定められたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動が波形検出手段に伝播する方向と平行な方向の、内燃機関の気筒内における圧力に基づいて測定された基準振動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５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、予め定められたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動が波形検出手段に伝播する方向と平行な方向の、内燃機関の気筒内における圧力に基づいて測定された基準振動波形を予め記憶し、判定手段が、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る基準振動波形を予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動が波形検出手段に伝播する方向と平行な方向の、内燃機関の気筒内における圧力に基づいて基準振動波形を測定する。気筒内における圧力は、吸気バルブおよび排気バルブの着座時の振動や、燃料噴射装置の作動時の振動に影響されない。したがって、内燃機関の気筒内における圧力に基づいて、ノッキング発生時の基準振動波形を測定すると、吸気バルブおよび排気バルブの着座時の振動や、燃料噴射装置の噴射時の作動に起因して発生する振動が重畳しない基準振動波形を測定することができる。また、ノッキングに起因して発生する振動が波形検出手段に伝播する方向と平行な方向の圧力に基づいて、基準振動波形を測定することにより、波形検出手段で検出されるノッキングに対応する振動波形を正確に再現することができる。そのため、精度の高い基準振動波形を測定することができる。また、作成された基準振動波形を記憶しておき、この基準振動波形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。その結果、精度よく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判定装置を提供することができる。

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。

クランクシャフトが回転すると、チェーンあるいはベルト等で連結された吸気側および排気側のカムシャフト（図示せず）が回転させられる。そして、吸気側および排気側のカムシャフトの回転により、エンジン１００の気筒の上部に設けられた吸気バルブ１１６および排気バルブ１１８の開閉が行なわれる。排気バルブ１１８が開くことにより、気筒内の燃焼後の排気ガスは、外部に排気される。そして、吸気バルブ１２６が開くことにより、気筒内に混合気が流入する。

エンジン１００の吸気側のカムシャフトには、さらにバルブタイミング可変機構１２２が設けられる。なお、排気側のカムシャフトにもバルブタイミング可変機構（図示せず）が設けられてもよい。バルブタイミング可変機構１２２は、吸気バルブ１１６の開閉のタイミングを可変とする機構である。

バルブタイミング可変機構１２２は、オイルコントロールバルブ（図示せず）からオイルを供給されて作動する。具体的には、バルブタイミング可変機構１２２は、図示しない進角室および遅角室を内部に有する。そして、進角室に供給されるオイルの油圧が上昇すると、バルブタイミング可変機構１２２は、カムシャフトを進角方向（吸気バルブ１１６が早く閉じる方向）に回転させる。一方、遅角室に供給されるオイルの油圧が上昇すると、バルブタイミング可変機構１２２は、カムシャフトを遅角方向（吸気バルブ１１６が遅く閉じる方向）に回転させる。オイルコントロールバルブは、エンジン１００に設けられるオイルポンプ（図示せず）から供給されるオイルを、進角室と遅角室とに選択的に供給するスプール弁を有する。オイルコントロールバルブは、エンジンＥＣＵ２００からのデューティ信号に基づいて、スプール弁の位置を制御することにより、進角室および遅角室における油圧を制御する。

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、筒内圧センサ３１４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。

筒内圧センサ３１４は、エンジン１００のシリンダブロックの側面に設けられ、気筒内の圧力を検知する。エンジン１００が複数の気筒を有する場合は、たとえば、ノックセンサ３００の近傍の気筒内の圧力を検知する。筒内圧センサ３１４は、検知した気筒内の圧力を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。

本実施の形態においては、筒内圧センサ３１４は、後述するノック波形モデルの測定に用いられる。筒内圧センサ３１４は、気筒上部において気筒の中心軸に直交する方向から気筒の中心に向けて設けられる。本実施の形態において、筒内圧センサ３１４は、ノッキングに対応する振動がノックセンサ３００に伝播する方向と平行な方向になるように設けられれば、特に筒内圧センサ３１４が設けられる位置は限定されない。したがって、筒内圧センサ３１４は、ノッキングに対応する振動がノックセンサ３００に伝播する方向と平行な方向の気筒内における圧力を検知する。

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。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。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。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のモデルであるノック波形モデルが記憶されている。

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。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の振動の合成波である。

本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応している。なお、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。

本実施の形態において、ノック波形モデルは、図１に示した構成を用いて、実験により、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間における振動波形を筒内圧センサ３１４により検知された圧力に基づいて検出する。実験により測定された振動の波形の平均値を基準振動波形としてノック波形モデルが作成される。

本発明は、ノック検出ゲートに対応する上死点から９０度までの予め定められたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動に、エンジン１００に設けられる部品の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態で測定された振動の波形の平均値に基づいてノック波形モデルを作成する点に特徴を有する。

上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において発生する部品の振動は、吸気バルブ１１６および排気バルブ１１８の着座時の振動を含む。図４に示すように、クランク角度がα（１）のときのノックが発生し、クランク角がα（２）であるときに吸気バルブ１１６が着座する際に振動が発生すると、ノック波形モデルを精度良く測定することができない。そのため、ノッキングの判定の精度が悪化する可能性がある。吸気バルブ１１６が着座する際に発生する振動とは、吸気バルブ１１６が閉じる際に、吸気バルブ１１６と吸気ポートとが衝突することにより発生する振動である。

そこで、ノック波形モデルの測定時には、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において、吸気バルブ１１６が着座しない運転状態でノック波形モデルを測定する必要がある。

したがって、実験時には、エンジンＥＣＵ２００により、クランクポジションセンサ３０６から検知されるクランク角度が上死点から９０度までの範囲のクランク角の間においては、吸気バルブ１１６が着座しないように、バルブタイミング可変機構１２２を制御して、ノック波形モデルを測定する。具体的には、吸気バルブ１１６の閉じるタイミングを上死点から９０度までの範囲外になるようにずらすように、バルブタイミング可変機構１２２が制御された状態で、ノック波形モデルを測定する。なお、排気バルブ１１８が上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において、排気バルブ１１８が着座する場合は、吸気バルブ１１８側と同様に、この区間において排気バルブ１１８が着座しないように排気側のカムシャフトに設けられるバルブタイミング可変機構を制御して、ノック波形モデルを測定する。

また、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において発生する部品の振動は、インジェクタ１０４の作動時の振動をさらに含む。そこで、ノック波形モデルの測定時には、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において、インジェクタ１０４が作動しない運転状態でノック波形モデルを測定する必要がある。

したがって、実験時には、エンジンＥＣＵ２００により、クランクポジションセンサ３０６から検知されるクランク角度が上死点から９０度までの範囲のクランク角の間においては、インジェクタ１０４が作動しないように制御して、ノック波形モデルを測定する。

さらに、エンジン１００が直噴エンジンである場合においては、エンジン１００に設けられるインジェクタ１０４に燃料を供給するポンプ１２０は、高圧の燃料をインジェクタ１０４に供給する。インジェクタ１０４からポンプ１２０との間は、リリーフバルブ（図示せず）を介して燃料タンクに接続される。リリーフバルブは、インジェクタ１０４とポンプ１２０との間の燃料の圧力が予め定められた圧力以上になると、弁が開く。リリーフバルブの弁が開くと、燃料はリリーフバルブから燃料タンク（図示せず）に戻される。そして、インジェクタ１０４とポンプ１２０との間の燃料の圧力が予め定められた圧力以下になると、リリーフバルブの弁は閉じる。

したがって、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において上述したようにリリーフバルブが開く場合に、振動が発生する可能性がある。そこで、ノック波形モデルの測定時には、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間において、リリーフバルブが開かない運転状態でノックモデルを測定する必要がある。

したがって、実験時には、エンジンＥＣＵ２００により、クランクポジションセンサ３０６から検知されるクランク角度が上死点から９０度までの範囲のクランク角の間においては、インジェクタ１０４に供給される燃料が高圧にならないように制御して、ノック波形モデルを測定する。たとえば、上死点から９０度までの範囲のクランク角の間においては、ポンプ１２０が燃料を加圧しないように制御された状態で、ノック波形モデルを測定する。

このような運転状態において、図５の実線に示すように、ピーク値に対応するクランク角度α（３）以降に測定されるノッキングに対応する振動波形の平均値を算出して、図５の破線に示すようなノック波形モデルを作成することにより、ノッキングに対応する振動以外の部品の作動に伴なって発生する振動を排除したノッキング波形モデルが作成できる。なお、ノック波形モデルは、ノッキングに対応する振動波形の平均値に基づいて作成することに限られない。

エンジンＥＣＵ２００は、検出された波形と、上述したように作成され、予め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。

図６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。Ｓ１０３にて、エンジンＥＣＵ２００は、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の振動の積算値を合成する。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。Ｓ１０４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、図７に示すように、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。

図６に戻って、Ｓ１０６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。

Ｓ１０８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。

Ｓ１１０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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。そうでない場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１６に移される。

Ｓ１１２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。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１１８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（Ｓ１０３）。これにより、図７に示すように、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。

なお、図７においては、振動波形を矩形的に表しているが、各積算値を線で結び、線を用いて振動の波形を表してもよい。また、各積算値のみを点で表して振動波形を表してもよい。

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。

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（Ｓ１０４）。ここでは、１５度から２０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。

図８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）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（Ｓ１０６）。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（Ｓ１０８）。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１５度から２０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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１２）、点火時期が遅角される（Ｓ１１４）。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（Ｓ１１０にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１６）、点火時期が進角される（Ｓ１１８）。

以上のようにして、本実施の形態に係る内燃機関のノッキング判定装置によると、実験により、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノッキング波形モデルを予め作成する際に、ノッキングに起因して発生する振動に、エンジンに設けられる吸気バルブ、排気バルブ、インジェクタおよびリリーフバルブなどの部品の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態でノッキング波形モデルを測定することにより、ノッキング以外のノイズによる振動を排除してノッキング波形モデルを作成することができるため、精度の高いノッキング波形モデルを作成することができる。

また、ノッキング波形モデルを予め作成する際には、ノッキングに起因して発生する振動がノックセンサに伝播する方向と平行な方向の、エンジンの気筒内における圧力を筒内圧センサにより検知して、ノッキング波形モデルを測定する。気筒内における圧力は、吸気バルブおよび排気バルブの着座時の振動や、インジェクタの作動時の振動に影響されない。したがって、エンジンの気筒内における圧力に基づいて、ノッキング波形モデルを測定することにより、吸気バルブ、排気バルブ、インジェクタおよびリリーフバルブなどの作動に起因して発生する振動が重畳しないノッキング波形モデルを測定することができる。また、筒内圧センサが、ノッキングに起因して発生する振動がノックセンサに伝播する方向と平行な方向の筒内圧が検知できるように設けることにより、ノックセンサで検出されるノッキングに対応する振動波形を正確に再現することができる。そのため、精度の高いノッキング波形モデルを測定することができる。

そして、作成されたノッキング波形モデルを予め記憶しておき、このノッキング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、エンジン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。その結果、精度よく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判定装置を提供することができる。

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。 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。 バルブの着座ノイズを含むノッキングの振動波形を示す図である。 ノイズが排除されたノッキングの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。 正規化後の振動波形を示す図である。 正規化後の振動波形とノック波形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、１２２ バルブタイミング可変機構、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 筒内圧センサ。

Claims (4)

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、
   前記予め定めれたクランク角の間において、ノッキングに起因して発生する振動に、内燃機関に設けられる部品の作動に起因して発生する振動が重畳しない運転状態で測定された基準振動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された波形とを比較した結果に基づいて、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む、内燃機関のノッキング判定装置。
2. 前記部品は、前記内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブであって、
   前記基準振動波形は、前記予め定められたクランク角の間において、前記吸気バルブおよび前記排気バルブが着座しない運転状態で測定された波形である、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
3. 前記部品は、前記内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
   前記基準振動波形は、前記予め定められたクランク角の間において、前記燃料噴射装置が作動しない運転状態で測定された波形である、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記部品は、前記内燃機関に噴射される燃料の圧力に応じて開状態および閉状態のいずれかの状態に切り換わるバルブであって、
   前記基準振動波形は、前記予め定められたクランク角の間において、前記バルブが作動しない運転状態で測定された波形である、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。

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