JP4491427B2 - 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、ノッキング（ノック）の有無を判定する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関において発生する振動の強度を検出し、この強度をしきい値と比較することにより、ノッキングの有無が判定される。ところが、内燃機関においては、ノッキングによる振動以外にも、吸気バルブもしくは排気バルブの着座による振動が発生し得る。また、インジェクタ（特に、筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタ）もしくはインジェクタに燃料を供給する高圧ポンプの作動によっても振動が発生し得る。これらによる振動がノイズとして検出された場合、振動の強度からではノッキングによる振動とノイズによる振動とが区別できない場合がある。そこで、振動の強度および波形形状の両方を考慮してノッキングの有無を判定する技術が提案されている。

特開２００３−２１０３２号公報（特許文献１）に記載の内燃機関のノック制御装置は、内燃機関のノッキングを検出するためのノックセンサと、ノックセンサにより検出される出力信号を統計処理する統計処理部と、統計処理部による処理結果に基づいてノッキングの発生を判定する第１の仮判定部と、ノックセンサにより検出される出力信号の波形形状に基づいてノッキングの発生を判定する第２の仮判定部と、第１の仮判定部によるノック仮判定と第２の仮判定部によるノック仮判定との結果に基づいて最終的にノッキングの発生を判定する最終ノック判定部とを含む。最終ノック判定部は、第１の仮判定部と第２の仮判定部との両方がノッキングが発生したと判定したときに最終的にノッキングが発生したと判定する。第１の仮判定部では、ノックセンサにより検出される出力信号の最大値と、統計処理部による処理結果に基づいて算出されるノック判定レベルとを比較することにより、ノッキングが発生したか否かが判定される。ノック判定レベルは、ノッキングの発生頻度に基づいて、設定値ΔＶをノック判定レベルから減算した値や、「１」より大きな値Ａと設定値ΔＶとの積をノック判定レベルに加算した値に補正される。ノックセンサ出力信号の最大値Ｖを対数変換した値ＬＯＧ（Ｖ）の分布において、分布の上位１０％点、５０％点、９０％点の値をそれぞれＶ１０、Ｖ５０、Ｖ９０とすると、ノックが頻繁に発生している時にはＶ１０／Ｖ５０＞Ｖ５０／Ｖ９０になる。したがって、Ｖ１０／Ｖ５０＞Ｖ５０／Ｖ９０であると、ノック判定レベルから設定値ΔＶが減算されて、ノック判定レベルが補正される。Ｖ１０／Ｖ５０＞Ｖ５０／Ｖ９０でないと、ノック判定レベルから「Ａ」と設定値ΔＶとの積が加算されて、ノック判定レベルが補正される。

この公報に記載のノック制御装置によると、統計処理プログラムによるノック仮判定と、波形形状プログラムによるノック仮判定とを用いて、それぞれの仮判定にてノッキングが発生したと判定された場合にのみ、最終的にノッキングが発生したと判定される。これにより、統計処理プログラムや波形形状プログラムのみを用いたノック判定ではノッキングの誤検出をしていた出力信号に対しても精度良くノッキングの発生を判定することができる。
特開２００３−２１０３２号公報

しかしながら、特開２００３−２１０３２号公報に記載のノック制御装置のように、内燃機関で発生する振動の強度（ノックセンサの出力信号）の分布を用いた場合であっても、常に判定値（ノック判定レベル）を精度よく補正できるとは限らない。ノッキングが極めて頻繁に発生している場合には、分布の上位１０％および５０％点の両方が大きくなりうる。そのため、ノッキングが頻発しているにも関わらず、Ｖ１０／Ｖ５０＞Ｖ５０／Ｖ９０とならない場合があり得る。この場合、ノッキングが発生しているにも関わらず、判定値（ノック判定レベル）が大きくされる。そのため、ノッキングが発生しているにも関わらず、ノッキングが発生したと判定され難くなる。したがって、点火時期が進角されたりして、ノッキングの発生を抑制できない。

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、ノッキングの発生を抑制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、内燃機関で発生する振動の強度を複数回検出するための検出手段と、検出手段により検出された各強度に応じて、ノッキングに起因する振動の強度に関するノック強度を算出するための第１の算出手段と、ノック強度と予め定められた第１の判定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、検出手段により検出された強度の中央値および標準偏差を算出するための第２の算出手段と、標準偏差および予め定められた係数の積を前記中央値に加算して算出される第２の判定値が第１の判定値よりも大きい場合、制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、第１の判定値を補正するための第２の補正手段とを含む。

第１の発明によると、内燃機関で発生する振動の強度が複数回検出される。検出された各強度に応じて、ノッキングに起因する振動の強度に関するノック強度が算出される。このノック強度と予め定められた判定値とを比較した結果に基づいて、内燃機関の点火時期が制御される。たとえば、ノック強度が判定値よりも大きいと点火時期が遅角され、ノック強度が判定値よりも小さいと点火時期が進角される。ところで、判定値が内燃機関で発生する振動の強度に対して過大であれば、ノッキングが発生した場合であっても、検出される強度が判定値よりも小さくなり得る。この場合、点火時期が進角され、ノッキングがさらに発生し得る。ノッキングが頻発すると、大きい強度が検出される頻度が高くなる。したがって、強度の中央値および標準偏差自体も高くなる。そこで、標準偏差および予め定められた係数の積を中央値に加算して算出される第２の判定値が第１の判定値よりも大きい場合、制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、第１の判定値が補正される。これにより、ノッキングが頻発したといえる状態において、振動の強度と比較される判定値が、内燃機関で発生する振動に対して過大になることを抑制することができる。そのため、点火時期の遅角を行ない易くすることができる。その結果、ノッキングの発生を抑制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は、第１の発明の構成に加え、第１の判定値よりも大きい第３の判定値を、第１の判定値に基づいて算出するための第３の算出手段をさらに含む。補正手段は、第２の判定値が第３の判定値よりも大きいことにより、第２の判定値が第１の判定値よりも大きい場合、制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、第１の判定値を補正するための手段を含む。

第２の発明によると、第１の判定値よりも大きい第３の判定値が、第１の判定値に基づいて算出される。第２の判定値が第３の判定値よりも大きいことにより、第２の判定値が第１の判定値よりも大きい場合、制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、第１の判定値が補正される。これにより、第１の判定値よりも大きい第３の判定値より第２の判定値が大きくなるまで、判定値が補正されることを抑制することができる。そのため、必要以上に判定値が補正されることを抑制することができる。

第３の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第２の発明の構成に加え、第３の算出手段は、第１の判定値に予め定められた値を乗算して、第３の判定値を算出するための手段を含む。

第３の発明によると、第１の判定値に予め定められた値を乗算して、第３の判定値が算出される。これにより、第１の判定値よりも大きな第３の判定値を得ることができる。

第４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２の発明の構成に加え、第３の算出手段は、第１の判定値に予め定められた値を加算して、第３の判定値を算出するための手段を含む。

第４の発明によると、第１の判定値に予め定められた値を加算して、第３の判定値が算出される。これにより、第１の判定値よりも大きな第３の判定値を得ることができる。

第５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１〜４のいずれかの発明の構成に加え、制御手段は、ノック強度が第１の判定値より大きい場合、点火時期を遅角するように制御するための手段を含む。補正手段は、第１の判定値が小さくなるように、第１の判定値を補正するため手段を含む。

第５の発明によると、ノック強度が第１の判定値より大きい場合、点火時期が遅角される。第１の判定値は小さくなるように補正される。これにより、点火時期の遅角を行ない易くすることができる。そのため、ノッキングの発生を抑制することができる。

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一である。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。このエンジン１００には複数の気筒が設けられる。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、クランクポジションセンサ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、電源である補機バッテリ３２０から供給された電力により作動する。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、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）２０４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ＲＯＭ２０２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。

さらに、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の振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ／ＢＧＬという方程式で算出される。なお、ノック強度Ｎを算出する際の積算値の最大値Ｐは対数変換される。また、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

ＢＧＬは、後述する強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布において、標準偏差σと係数Ｕ（１）（Ｕ（１）は定数で、たとえばＵ（１）＝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。なお、ＢＧＬの算出方法はこれに限らず、ＢＧＬをＲＯＭ２０２に記憶しておくようにしてもよい。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、算出されたノック強度ＮとＳＲＡＭ２０４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て、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とをパラメータとした運転状態により区分される領域毎に、マップとして記憶される。本実施の形態においては、低回転（ＮＥ＜ＮＥ（１））、中回転（ＮＥ（１）≦ＮＥ＜ＮＥ（２））、高回転（ＮＥ（２）≦ＮＥ）、低負荷（ＫＬ＜ＫＬ（１））、中負荷（ＫＬ（１）≦ＫＬ＜ＫＬ（２））、高負荷（ＫＬ（２）≦ＫＬ）で区分することにより、気筒毎に９つの領域が設けられる。なお、領域の数はこれに限らない。また、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＫＬ以外のパラメータを用いて領域を区分するようにしてもよい。

エンジン１００もしくは車両の出荷時において、ＲＯＭ２０２に記憶される判定値Ｖ（ＫＸ）（出荷時における判定値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。ところが、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。この場合、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。

図８に示すように、標準偏差σと係数Ｕ（１）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。さらに、このＢＧＬに、標準偏差σと係数Ｕ（２）（Ｕ（２）は定数で、たとえばＵ（１）＝４）との積を加算した値が、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）として算出される。

すなわち、中央値Ｖ（５０）に係数Ｕ（３）（Ｕ（３）は定数で、たとえばＵ（３）＝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。強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布は上述した領域毎に作成され、各領域の判定値Ｖ（ＫＸ）が補正される。

係数Ｕ（１）〜Ｕ（３）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。なお、係数Ｕ（１）〜Ｕ（３）に、「１」、「３」および「４」以外の値を用いるようにしてもよい。

図９を参照して、標準偏差σについてさらに説明する。標準偏差σは、中央値ＶＭＥＤ以下の強度値ＬＯＧ（Ｖ）を用いて算出される。図９に示すように、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度を最小値から累積してＸ％になる値Ａと、Ｙ（Ｙ＞Ｘ）％になる値Ｂ（Ｂ＞Ａ）との差として、標準偏差σが算出される。

ここで、Ｘ％は、図１０に示すように、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布が正規分布になる場合（ノッキングが発生していない場合）において、最小値からＶＭＥＤ―２×σまでの値をとる強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合である。

同様に、Ｙ％は、図１０に示すように、強度値ＬＯＧ（Ｖ）に頻度分布が正規分布になる場合（ノッキングが発生していない場合）において、最小値からＶＭＥＤ―σまでの値をとる強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合である。これらの割合は、予め実験やシミュレーション等に基づいて定められる理論値である。このような標準偏差σを用いてＢＧＬおよびノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される。

図１１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、ノック強度Ｎを算出する。

Ｓ１１４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（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。Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。

図１２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、判定値Ｖ（ＫＸ）を設定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、算出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）について、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出する。なお、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出は、Ｎ（Ｎは自然数で、たとえばＮ＝２００）サイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が抽出されるごとに算出するようにしてもよい。

Ｓ２０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、算出された中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ＢＧＬおよびノック判定レベルＶ（ＫＤ）を算出する。

Ｓ２０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、現在の判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋ（たとえばＫ＝１．５）との積よりも大きいか否かを判別する。ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、現在の判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも大きい場合（Ｓ２０６にてＹＥＳ）、処理はＳ２１８に移される。そうでない場合（Ｓ２０６にてＮＯ）、処理はＳ２０８に移される。

Ｓ２０８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。

Ｓ２１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、前回判定値Ｖ（ＫＸ）が補正されてからＮサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が抽出されているか否かを判別する。Ｎサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が抽出されている場合（Ｓ２１０にてＹＥＳ）、処理はＳ２１２に移される。そうでない場合（Ｓ２１０にてＮＯ）、処理はＳ２００に戻される。

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、予め定められた補正量Ａ（１）だけ小さくする。Ｓ２１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を、予め定められた補正量Ａ（２）だけ大きくする。

Ｓ２１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を、予め定められた補正量Ａ（３）（Ａ（３）＞Ａ（１））だけ小さくする。

Ｓ２２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を、ＳＲＡＭ２０４に記憶する。その後、この処理は終了する。

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。

さらに、ピーク値Ｐ（ピーク値Ｐを対数変換した値）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、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。

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（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。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）よりも大きい状態ではない場合（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）。このようにして、ノック強度Ｎと判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較することにより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。

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。この場合、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、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００においては、強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出される（Ｓ２００）。算出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）について、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが算出される（Ｓ２０２）。これらの中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ＢＧＬおよびノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される（Ｓ２０４）。

図１３に示すように、エンジン１００においてノッキングが発生していなければ、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布は正規分布になる。この場合、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１４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１５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。したがって、判定値Ｖ（ＫＸ）の補正の精度が悪化し得る。

そこで、本実施の形態においては、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、現在の判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも大きいか否かを判別することにより、ノッキングが頻発している状態であるか否かが判別される。

図１６に示すように、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、現在の判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも小さい場合（Ｓ２０６にてＮＯ）、振動の強度が比較的小さい状態、すなわちノッキングが頻発していない状態であるといえる。

この場合は、通常の制御として、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（Ｓ２０８）。前回判定値Ｖ（ＫＸ）を補正してからＮサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が抽出されており（Ｓ２１０にＹＥＳ）、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）、点火時期の遅角制御（Ｓ１１８）が行なわれる頻度が高くなって遅角される度合が大きくなるように、補正量Ａ（１）だけ判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくされる（Ｓ２１４）。

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）、点火時期の進角制御（Ｓ１２２）が行なわれる頻度が高くなるように、補正量Ａ（２）だけ判定値Ｖ（ＫＸ）が大きくされる（Ｓ２１６）。これにより、１点火サイクルごとのノッキング判定における判定値Ｖ（ＫＸ）を適切に補正し、点火時期を適切に制御することができる。

一方、図１７に示すように、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、現在の判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも大きい場合（Ｓ２０６にてＹＥＳ）、振動の強度が比較的大きい状態、すなわちノッキングが頻発している状態であるといえる。この場合、点火時期の遅角制御（Ｓ１１８）が行なわれる頻度が高くなって遅角される度合が大きくなるように、速やかに判定値Ｖ（ＫＸ）を小さくする必要がある。

そこで、補正量Ａ（１）よりも大きい補正量Ａ（３）で、判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくされる（Ｓ２１８）。これにより、ノッキングが頻発している場合には、点火時期の遅角制御をより多く行なって、ノッキングを抑制することができる。

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、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の標準偏差σと係数Ｕ（３）との積を中央値Ｖ（５０）に加算した値として算出されるノック判定レベルＶ（ＫＤ）が、判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも大きい場合、判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくされる。これにより、ノッキングが頻発した状態であるといえる場合には、１点火毎のノッキング判定においてノッキングが発生したと判定され易くすることができる。そのため、点火時期が遅角される頻度を多くすることができる。その結果、ノッキングを抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が判定値Ｖ（ＫＸ）と係数Ｋとの積よりも大きい場合に判定値Ｖ（ＫＸ）を小さくしていたが、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が判定値Ｖ（ＫＸ）と予め定められた値との和よりも大きい場合に判定値Ｖ（ＫＸ）を小さくするようにしてもよい。この場合、予め定められた値として、標準偏差σと係数との積を用いるようにしてもよい。

また、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）の代わりに、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）とは異なる値であって、中央値Ｖ（５０）に標準偏差σと係数との積を加算した値を用いるようにしてもよい。

さらに、図１８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１９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。 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４）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。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その７）である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図（その８）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 (5)

1. 内燃機関の点火時期制御装置であって、
   前記内燃機関で発生する振動の強度を複数回検出するための検出手段と、
   前記検出手段により検出された各強度に応じて、ノッキングに起因する振動の強度に関するノック強度を算出するための第１の算出手段と、
   前記ノック強度と予め定められた第１の判定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、
   前記検出手段により検出された強度の中央値および標準偏差を算出するための第２の算出手段と、
   前記標準偏差および予め定められた係数の積を前記中央値に加算して算出される第２の判定値と、前記ノック強度とを比較することにより、ノッキングの発生頻度を予め定められた間隔で判定するための手段と、
   ノッキングの発生頻度に応じて、前記予め定められた間隔で前記第１の判定値を補正するための手段と、
   前記第２の判定値が前記第１の判定値よりも大きい場合、前記制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、前記第１の判定値を補正するための補正手段とを含む、内燃機関の点火時期制御装置。
2. 前記点火時期制御装置は、前記第１の判定値よりも大きい第３の判定値を、前記第１の判定値に基づいて算出するための第３の算出手段をさらに含み、
   前記補正手段は、前記第２の判定値が前記第３の判定値よりも大きいことにより、前記第２の判定値が前記第１の判定値よりも大きい場合、前記制御手段により点火時期が遅角される度合が大きくなるように、前記第１の判定値を補正するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
3. 前記第３の算出手段は、前記第１の判定値に予め定められた値を乗算して、前記第３の判定値を算出するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
4. 前記第３の算出手段は、前記第１の判定値に予め定められた値を加算して、前記第３の判定値を算出するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
5. 前記制御手段は、前記ノック強度が前記第１の判定値より大きい場合、点火時期を遅角するように制御するための手段を含み、
   前記補正手段は、前記第１の判定値が小さくなるように、前記第１の判定値を補正するため手段を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の点火時期制御装置。

Images