JP4600431B2 - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の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の有無を判定する技術に関する。

従来より、内燃機関において発生するノッキング（ノック）を検出する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関の振動の強度がしきい値よりも高いとノッキングが発生したと判定する技術がある。ところが、ノッキングが発生していなくても、たとえば吸気バルブや排気バルブが閉じる際に発生する振動などのノイズの強度がしきい値よりも高い場合がある。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。そこで、振動が発生するクランク角や減衰率など、強度以外の特性も考慮するために振動の波形に基づい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２００５−３３０９５４号公報（特許文献１）は、振動の波形を用いることによりノッキングが発生したか否かを精度よく判定する内燃機関のノッキング判定装置を開示する。特許文献１に記載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部と、内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための振動検出部と、振動の強度に関する値を、検出された振動の強度に関する値のうちの最大値により除算した値に基づいて、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部と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶部と、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部とを含む。判定部は、検出された波形および記憶された波形の偏差を表わす値に基づいてノッキングが発生したか否かを判別する。偏差を表わす値は、検出された波形における強度と記憶された波形における強度とのクランク角ごとの差の合計を、記憶された波形における強度をクランク角で積分した値で除算することにより算出される。

この公報に記載のノッキング判定装置によれば、クランク角検出部が、内燃機関のクランク角を検出し、振動検出部が振動の強度に関する値を検出し、波形検出部が、振動の強度（大きさ）に関する値に基づいて、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。記憶部が、内燃機関の振動の波形を予め記憶し、判定部が、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、エンジン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。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。
特開２００５−３３０９５４号公報

しかしながら、特開２００５−３３０９５４号公報に記載のノッキング判定装置においては、振動の強度に関する値を最大値により除算することにより正規化された波形が検出される。そのため、検出された強度が大きい場合であっても小さい場合であっても、検出された波形における強度の最大値は常に「１」である。したがって、最大値により除算される前の強度が小さい場合であっても、検出された波形の形状が記憶された波形の形状と似ていれば、波形の偏差を表わす値がノッキング時のような値になり易い。これは、記憶された波形における強度をクランク角で積分した値、すなわち記憶された波形の面積が、検出された波形における強度と記憶された波形における強度との差に比べて大きいために、強度の差の影響力が相対的に小さくなるからである。そのため、ノッキングでないにもかかわらずノッキングであると誤判定し得る。

本発明は、上述の問題点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内燃機関のノッキング判定装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関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手段と、クランク角に対応させて、内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、内燃機関の振動の強度に基づいて、クランク角についての第１の間隔における振動の波形を検出するための手段と、クランク角についての第２の間隔分の、検出された波形における強度および内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルにおける強度の差に基づいて第１の値を算出するための第１の算出手段と、内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように第２の値を算出するための第２の算出手段と、第１の値および第２の値に基づいて第３の値を算出するための第３の算出手段と、第３の値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備える。

この構成によると、内燃機関のクランク角が検出される。内燃機関の振動の強度がクランク角に対応して検出される。強度に基づいて、クランク角についての第１の間隔における振動の波形が検出される。クランク角についての第２の間隔分の、検出された波形における強度と内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルにおける強度との差に基づいて第１の値が算出される。これにより、検出された波形における強度と波形モデルにおける強度との差に応じて変化する第１の値を得ることができる。さらに、内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように第２の値が算出される。これらの第１の値および第２の値に基づいて第３の値が算出される。これにより、内燃機関の出力軸回転数が小さい場合は、大きい場合に比べて第２の値による影響力を小さくすることができる。そのため、内燃機関の出力軸回転数が小さい場合は、大きい場合に比べて第１の値による影響力を相対的に大きくすることができる。その結果、検出された波形における強度と波形モデルにおける強度との差が小さい場合であっても、検出された波形における強度と波形モデルにおける強度との差を第３の値に大きく反映させることができる。この第３の値に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングは発生していないにもかかわらず検出された波形における強度と波形モデルにおける強度との差が小さい場合において、ノッキングが発生していないと正しく判定することができる。一方、内燃機関の出力軸回転数が大きい場合は、小さい場合に比べて第２の値による影響力を大きくすることができる。そのため、内燃機関の出力軸回転数が大きい場合は、検出された波形における強度と波形モデルにおける強度との差の影響力を制限することができる。その結果、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内燃機関のノッキング判定装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１の発明の構成に加え、内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように、第２の間隔を設定するための手段をさらに備える。

この構成によると、出力軸回転数が小さい場合は大きい場合に比べて、ノッキングに起因する振動が検出されるクランク角の範囲が短いため、内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように、第２の間隔が設定される。これにより、検出された波形と波形モデルとの差を利用するクランク角から、ノッキングに起因する振動が現れ難いクランク角を除外することができる。そのため、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３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１または２の発明の構成に加え、第１の算出手段は、検出された波形における強度および波形モデルにおける強度の差を第２の間隔分だけ合計することにより第１の値を算出するための手段を含む。第２の算出手段は、内燃機関の出力軸回転数が第１の回転数である場合は波形モデルにおける強度から、正の数の、強度の基準値を減算した値を第２の間隔分だけ合計することにより第２の値を算出し、内燃機関の出力軸回転数が第１の回転数よりも大きい第２の回転数である場合は波形モデルにおける強度を第２の間隔分だけ合計することにより第２の値を算出するための手段を含む。第３の算出手段は、第１の値を第２の値で除算することにより第３の値を算出するための手段を含む。判定手段は、第３の値が予め定められた値よりも小さい場合において、内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む。

この構成によると、検出された波形における強度および波形モデルにおける強度の差を第２の間隔分だけ合計することにより第１の値が算出される。内燃機関の出力軸回転数が第１の回転数である場合は波形モデルにおける強度から正の数の基準値を減算した値を第２の間隔分だけ合計することにより第２の値が算出される。内燃機関の出力軸回転数が第１の回転数よりも大きい第２の回転数である場合は波形モデルにおける強度を第２の間隔分だけ合計することにより第２の値が算出される。第１の値を第２の値で除算することにより第３の値が算出される。第３の値が予め定められた値よりも小さい場合において、内燃機関にノッキングが発生したと判定される。これにより、検出された波形の強度および波形モデルの強度の差と、波形モデルにおける強度との相対的な関係を用いて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、検出された波形の強度と波形モデルの強度の差が小さい場合であっても、波形モデルの強度を考慮するとノッキングが発生したといえない場合には、ノッキングが発生していないと正しく判定することができる。

第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第３の発明の構成に加え、検出された波形における強度の最小値を検出するための手段と、検出された波形における強度の最小値を基準値に設定するための手段とをさらに備える。

この構成によると、検出された波形における強度の最小値が基準値に設定される。これにより、最小値よりも小さい部分を波形モデルから除去することができる。そのため、波形モデルの強度による影響力を小さくすることができる。

第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第３の発明の構成に加え、検出された波形における強度の最小値を、複数の点火サイクルにおいて検出するための手段と、最小値の中央値に最小値の標準偏差および係数の積を加算した値を基準値に設定するための手段とをさらに備える。

この構成によると、最小値の中央値に最小値の標準偏差および係数の積を加算した値が基準値に設定される。最小値の中央値に最小値の標準偏差および係数の積を加算した値よりも小さい部分を波形モデルから除去することができる。そのため、波形モデルの強度による影響力を小さくすることができる。

第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第５の発明の構成に加え、基準値を予め定められた値以下に制限するための手段をさらに備える。

この構成によると、基準値が予め定められた値以下に制限される。これにより、基準値が過剰に大きくならないようにすることができる。

第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第３の発明の構成に加え、検出された波形における強度の最小値と強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を算出するための手段と、平均値を基準値に設定するための手段とをさらに備える。

この構成によると、検出された波形における強度の最小値と強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値が、基準値に設定される。これにより、平均値よりも小さい部分を波形モデルから除去することができる。そのため、波形モデルの強度による影響力を小さくすることができる。

第８の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第３の発明の構成に加え、検出された波形における強度の最小値と強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を複数の点火サイクルにおいて算出するための手段と、平均値の中央値に平均値の標準偏差および係数の積を加算した値を基準値に設定するための手段とをさらに備える。

この構成によると、平均値の中央値に平均値の標準偏差および係数の積を加算した値が、基準値に設定される。これにより、平均値の中央値に平均値の標準偏差および係数の積を加算した値よりも小さい部分を波形モデルから除去することができる。そのため、波形モデルの強度による影響力を小さくすることができる。

第９の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第３の発明の構成に加え、基準値は、一定の値である。

この構成によると、一定の値よりも小さい部分を波形モデルから除去することができる。そのため、波形モデルの強度による影響力を小さくすることができる。

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。

＜第１の実施の形態＞
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。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。なお、エンジンＥＣＵ２００により実行されるプログラムをＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に記録して市場に流通させてもよい。

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。

振動を検出する周波数帯の帯域幅が広いと、ノッキングに起因して発生する振動以外のノイズ（たとえば筒内噴射用インジェクタや給排気バルブの着座による振動）を含む可能性が高くなる。

逆に、振動を検出する帯域幅を狭くすると、検出される振動の強度に含まれるノイズ成分を抑制することができる反面、振動波形からもノイズ成分の特徴的な部分（振動の発生タイミングや減衰率など）が除去される。この場合、実際はノイズ成分に起因する振動であっても、ノイズ成分を含まない振動波形、すなわちノッキング時における振動波形に類似した波形が検出される。そのため、振動波形からノッキングに起因する振動とノイズに起因する振動とを区別し難くなる。

そこで、本実施の形態においては、ノッキングに特有の振動を精度よく取り込むため、帯域幅が狭く設定された第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における振動が検出される。

一方、ノイズの発生時にはノイズを考慮してノッキングが発生したか否かを判定するため、ノイズを取り込むように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃを含む広域の第４の周波数帯Ｄにおける振動が検出される。

図３に示すように、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）４１１と、バンドパスフィルタ（２）４１２と、バンドパスフィルタ（３）４１３と、バンドパスフィルタ（４）４１４と、積算部４２０とを含む。

バンドパスフィルタ（１）４１１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）４１１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）４１２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）４１２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）４１３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）４１３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。

バンドパスフィルタ（４）４１４は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第４の周波数帯Ｄの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（４）４１４により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第４の周波数帯Ｄの振動のみが抽出される。

積算部４２０は、バンドパスフィルタ（１）４１１〜バンドパスフィルタ（４）４１４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度分づつ積算した積算値（以下、５度積算値とも記載する）を算出する。５度積算値の算出は、周波数帯ごとに行なわれる。

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５度積算値は、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。

したがって、本実施の形態においては、図４に示すように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形と第４の周波数帯Ｄの振動波形とが、エンジン１００の振動波形として用いられる。第４の周波数帯Ｄの振動波形（５度積算値）は合成されずに、単独で用いられる。

検出された振動波形のうち、第４の周波数帯Ｄの振動波形は、図５に示すように、強度が最大になるクランク角以降のクランク角において、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の振動波形の基準として定められる。本実施の形態において、ノック波形モデルの強度は、第４の周波数帯Ｄの振動波形が検出される度に設定される。すなわち、ノック波形モデルの強度は、１点火サイクル毎に定められる。

ノック波形モデルにおける強度は、第４の周波数帯Ｄの振動波形の強度（５度積算値）に基づいて設定される。より具体的には、ノック波形モデルにおける強度の最大値が、第４の周波数帯Ｄの振動波形の強度の最大値と同じになるように設定される。

一方、最大値以外の強度は、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン１００の負荷に応じて設定される。より具体的には、隣接するクランク角における強度の減衰率が、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン１００の負荷をパラメータに有するマップに従って設定される。

したがって、たとえば、２５％の減衰率で、クランク角で２０度分の強度を設定する場合、図６に示すように、２５％ずつ強度が減少する。なお、ノック波形モデルの強度を設定する方法はこれに限らない。

振動波形とノック波形モデルとは、比較区間において比較される。比較区間は、エンジン回転数ＮＥに応じて設定される。図７に示すように、比較区間は、エンジン回転数ＮＥが小さいほど小さくなるように設定される。なお、エンジン１００の負荷に応じて比較区間を設定するようにしてもよい。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形がノック波形モデルに類似する度合を表わす（振動波形とノック波形モデルとの偏差を表わす）相関係数Ｋを算出する。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、振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値（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。なお、５度以外のクランク角ごとに振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値を算出するようにしてもよい。

ここで、振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度とのクランク角ごとの差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とおく。図８において斜線で示すように、ノック波形モデルの振動の強度を比較区間分だけ合計した値、すなわち、比較区間分のノック波形モデルの面積をＳとおく。相関係数Ｋは、下記の式（１）を用いて算出される。

Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓ・・・（１）
ΣΔＳ（Ｉ）は、比較区間におけるΔＳ（Ｉ）の総和である。

本実施の形態においては、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）より小さい場合、図８において斜線で示すように、比較区間において、ノック波形モデルの強度から正の数の基準値を減算した値の合計が、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いられる。すなわち、比較区間において、基準値以上の強度が占める面積が、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いられる。一方、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）以上である場合、図９において斜線で示すように、比較区間分のノック波形モデルの面積Ｓの全てを用いて相関係数Ｋが算出される。なお、基準値には、たとえば、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値が用いられる。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、図１０において斜線で示すように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形における５度積算値の合計を用いて、ノック強度Ｎを算出する。

合成波形における５度積算値の合計を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。ＢＧＬは、たとえばシミュレーションや実験などに基づいて予め定められ、ＲＯＭ２０２に記憶される。なお、ノック強度Ｎの算出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、算出されたノック強度ＮとＲＯＭ２０２に記憶されたしきい値Ｖ（Ｊ）とを比較し、さらに相関係数ＫとＲＯＭ２０２に記憶されたしきい値Ｋ（０）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１１を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。

エンジンＥＣＵ２００は、クランク角検出部２１０と、強度検出部２２０と、波形検出部２３０と、区間設定部２４０と、最小値検出部２５０と、基準値設定部２６０と、相関係数算出部２７０と、ノック強度算出部２８０と、ノッキング判定部２９０とを含む。

クランク角検出部２１０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。

強度検出部２２０は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、ノック検出ゲートにおける振動の強度を検出する。振動の強度は、クランク角に対応させて検出される。また、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。

波形検出部２３０は、振動の強度をクランク角で５度分づつ積算することにより、ノック検出ゲートにおける振動波形を検出する。

区間設定部２４０は、エンジン回転数ＮＥが小さいほどより小さくなるように、振動波形とノック波形モデルとを比較する比較区間を設定する。

最小値検出部２５０は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値を検出する。基準値設定部２６０は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値を基準値に設定する。なお、最小値の検出および基準値の設定は、１点火サイクルごとに行なわれる。すなわち、複数の点火サイクルにおいて、最小値の検出および基準値の設定が行なわれる。

相関係数算出部２７０は、相関係数Ｋを算出する。ノック強度算出部２８０は、ノック強度Ｎを算出する。ノッキング判定部２９０は、ノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）より大きく、かつ相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きい場合、ノッキングが発生したと判定する。

ここで、前述した式（１）は、
Ｋ＝１−ΣΔＳ（Ｉ）／Ｓ・・・（２）
と変形できる。

さらに式（２）は、
ΣΔＳ（Ｉ）／Ｓ＝１−Ｋ・・・（３）
と変形できる。したがって、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）よりも大きいということは、ΣΔＳ（Ｉ）／Ｓが１−Ｋ（０）よりも小さいということと同じである。

図１２を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、以下に説明するプログラムは、予め定められた周期で（たとえば１点火サイクル毎に）繰り返し実行される。

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、クランク角を検出する。

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、クランク角に対応させて、エンジン１００の振動の強度を検出する。

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５度積算値を算出することにより、エンジン１００の振動波形を検出する。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形と、第４の周波数帯Ｄの振動波形が検出される。

Ｓ１０６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。Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン回転数ＮＥが小さいほどより小さくなるように、振動波形とノック波形モデルとを比較する比較区間を設定する。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値を検出する。Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値を基準値に設定する。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋを算出する。Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。

Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいか否かを判定する。相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいと（Ｓ１１８にてＹＥＳ）、処理はＳ１２０に移される。もしそうでないと（Ｓ１１８にてＮＯ）、処理はＳ１２４に移される。

Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングが発生したと判定する。Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。

Ｓ１２４にて、エンジンＥＣＵ２００は、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、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、クランク角が検出される（Ｓ１００）。ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、クランク角に対応させて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１０２）。５度積算値を算出することにより、エンジン１００の振動波形が検出される（Ｓ１０４）。

さらに、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（Ｓ１０６）。エンジン回転数ＮＥが小さいほどより小さくなるように、振動波形とノック波形モデルとを比較する比較区間が設定される（Ｓ１０８）。また、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値が検出される（Ｓ１１０）。第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値が基準値に設定される（Ｓ１１２）。

図１３に示すように、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）より小さい場合、ノック波形モデルの強度から正の数の基準値を減算した値の合計を、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いて、相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１４）。

これにより、ノック波形モデルにおける強度自体が相関係数Ｋに与える影響力を小さくすることができる。そのため、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差が相関係数Ｋに与える影響力を相対的に大きくすることができる。

ところが、図１４に示すように、エンジン回転数ＮＥが大きい状態では、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値、すなわち基準値が比較的大きくなり得る。そのため、ノック波形モデルの強度から基準値を減算した値の合計を、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いた場合、面積Ｓが必要以上に小さくなり得る。

したがって、図１５に示すように、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）以上である場合、比較区間分のノック波形モデルの全ての面積Ｓを用いて相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１４）。これにより、ノック波形モデルの面積Ｓが相関係数Ｋに与える影響力を大きくすることができる。そのため、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差が相関係数Ｋに与える影響力を相対的に小さくすることができる。その結果、強度の差による影響力を制限することができる。

ところで、エンジン回転数ＮＥが小さい場合は、大きい場合に比べて、たとえば１秒あたりのクランク角の変化量は小さい。一方、ノッキングに起因する振動が発生する時間の長さは、エンジン回転数ＮＥにかかわりなく、略一定である。

したがって、図１６に示すように、エンジン回転数ＮＥが小さい場合は大きい場合に比べて、ノッキングに起因する振動が検出されるクランク角の間隔が短い。そこで、本実施の形態においては、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差を、エンジン回転数ＮＥが小さいほどより小さくなるように定められる比較区間分だけ合計した値に基づいて、相関係数Ｋが算出される。これにより、振動波形とノック波形モデルとの差を利用する区間から、ノッキングに起因する振動が現れ難い区間を除外することができる。

相関係数Ｋの他、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形の強度の合計を用いて、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１６）。

相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいと（Ｓ１１８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定される（Ｓ１２０）。この場合、点火時期が遅角される（Ｓ１２２）。

一方、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）以下であったり、ノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）以下であったりすると（Ｓ１１８にＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定される（Ｓ１２４）。この場合、点火時期が進角される（Ｓ１２６）。

以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵによれば、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）より小さい場合、ノック波形モデルの強度から正の数の基準値を減算した値の合計を、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いて、相関係数Ｋが算出される。これにより、ノック波形モデルにおける強度自体が相関係数Ｋに与える影響力を小さくすることができる。そのため、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差が相関係数Ｋに与える影響力を相対的に大きくすることができる。このような相関係数Ｋを用いて、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングは発生していないにもかかわらず振動波形における強度と波形モデルにおける強度との差が小さい場合において、ノッキングが発生していないと正しく判定することができる。一方、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）以上である場合、比較区間分のノック波形モデルの面積Ｓの全てを用いて相関係数Ｋが算出される。これにより、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差が相関係数Ｋに与える影響力を相対的に小さくすることができる。そのため、振動波形の強度とノック波形モデルの強度との差が相関係数Ｋに与える影響力を、制限することができる。その結果、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２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、振動波形の最小値の頻度分布に基づいて基準値を設定する点で、前述の第１の実施の形態と相違する。その他、エンジン１００自体の構造などについては、前述の第１の実施の形態と同じである。それらの機能も同じである。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

図１７を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。また、前述の第１の実施の形態における機能と同じ機能については、同じ番号を付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

本実施の形態において、基準値設定部２６２は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値の頻度分布に基づいて、基準値を設定する。図１８に示すように、最小値の中央値に、最小値の標準偏差と係数との積を加算した値が、基準値に設定される。係数は、たとえば「２」である。基準値を設定されるために用いられる最小値は、たとえば、２００点火サイクル分の最小値である。なお、基準値を設定する際、最小値は対数変換して用いられる。したがって、頻度分布を用いて設定された基準値は、逆対数変換して用いられる。

図１９を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態と同じ処理については、同じステップ番号が付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、最小値の中央値に、最小値の標準偏差と係数との積を加算した値を、基準値に設定する。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、基準値を予め定められた値以下に制限する点で、前述の第２の実施の形態と相違する。その他、エンジン１００自体の構造などについては、前述の第１の実施の形態と同じである。それらの機能も同じである。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

図２０を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。また、前述の第１の実施の形態もしくは第２の実施の形態における機能と同じ機能については、同じ番号を付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

エンジンＥＣＵ２００は、制限部２６４をさらに備える。制限部２６４は、上限値以下に基準値を制限する。上限値は、たとえば、最小値の中央値の２倍の値である。なお、上限値はこれに限らない。その他、一定の値を上限値に設定するようにしてもよい。

図２１を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態もしくは第２の実施の形態と同じ処理については、同じステップ番号が付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

Ｓ３００にて、エンジンＥＣＵ２００は、基準値が上限値以下であるか否かを判断する。基準値が上限値以下であると（Ｓ３００にてＹＥＳ）、処理はＳ１１４に移される。もしそうでないと（Ｓ３００にてＮＯ）、処理はＳ３０２に移される。Ｓ３０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、上限値を基準値に設定する。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

＜第４の実施の形態＞
以下、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、振動波形における強度の最小値と強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を基準値に設定する点で、前述の第１の実施の形態と相違する。その他、エンジン１００自体の構造などについては、前述の第１の実施の形態と同じである。それらの機能も同じである。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

図２２を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。また、前述の第１の実施の形態における機能と同じ機能については、同じ番号を付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

本実施の形態において、基準値設定部２６６は、図２３に示すように、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度（５度積算値）の最小値と、強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を算出する。たとえば、クランク角で１５度分の５度積算値を「３」で除算することにより平均値が算出される。また、基準値設定部２６６は、算出された平均値を基準値に設定する。なお、平均値の算出および基準値の設定は、１点火サイクル毎に行なわれる。すなわち、複数の点火サイクルにおいて、平均値の算出および基準値の設定が行なわれる。

図２４を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態と同じ処理については、同じステップ番号が付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

Ｓ４００にて、エンジンＥＣＵ２００は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度（５度積算値）の最小値と、強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を算出する。Ｓ４０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、算出された平均値を基準値に設定する。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

＜第５の実施の形態＞
以下、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態は、強度（５度積算値）の平均値の頻度分布に基づいて、基準値を設定する点で、前述の第４の実施の形態と相違する。その他、エンジン１００自体の構造などについては、前述の第１の実施の形態と同じである。それらの機能も同じである。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

図２５を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。また、前述の第１の実施の形態もしくは第４の実施の形態と同じ機能については、同じ番号を付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

本実施の形態において、基準値設定部２６８は、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度（５度積算値）の最小値と、強度が最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を算出する。また、基準値設定部２６８は、図２６に示すように、算出された平均値の中央値に、平均値の標準偏差と係数との積を加算した値を、基準値に設定する。係数は、たとえば「２」である。基準値を設定されるために用いられる平均値は、たとえば、２００点火サイクル分の平均値である。なお、基準値を設定する際、平均値は対数変換して用いられる。したがって、頻度分布を用いて設定された基準値は、逆対数変換して用いられる。

図２７を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態もしくは第４の実施の形態と同じ処理については、同じステップ番号が付してある。したがって、ここではそれらの詳細な説明は繰返さない。

Ｓ５００にて、エンジンＥＣＵ２００は、平均値の中央値に、平均値の標準偏差と係数との積を加算した値を、基準値に設定する。このようにしても、前述の第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

＜その他の実施の形態＞
一定の値を、基準値として用いるようにしてもよい。また、図２８に示すように、強度が最大値になるクランク角を除くように比較区間を設定するようにしてもよい。

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。

本発明の第１実施の形態に係るノッキング判定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。 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（その１）である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その１）である。 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する比較区間を示す図（その１）である。 相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その１）である。 相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その２）である。 ノック強度Ｎを算出するために用いる合成波形の強度の合計を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵの機能ブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジン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。 相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その３）である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その２）である。 相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その４）である。 エンジンの振動波形を示す図（その２）である。 本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵの機能ブロック図である。 強度の最小値の頻度分布を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジン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。 本発明の第３の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵの機能ブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジン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。 本発明の第４の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵの機能ブロック図である。 基準値を設定するために算出される平均値を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジン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。 本発明の第５の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵの機能ブロック図である。 平均値の頻度分布を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジン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。 振動波形とノック波形モデルとを比較する比較区間を示す図（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、２０２ ＲＯＭ、２１０ クランク角検出部、２２０ 強度検出部、２３０ 波形検出部、２４０ 区間設定部、２５０ 最小値検出部、２６０，２６２，２６６，２６８ 基準値設定部、２６４ 制限部、２７０ 相関係数算出部、２８０ ノック強度算出部、２９０ ノッキング判定部、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、３２０ 補機バッテリ。

Claims (9)

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手段と、
   クランク角に対応させて、前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
   前記内燃機関の振動の強度に基づいて、クランク角についての第１の間隔における振動の波形を検出するための手段と、
   クランク角についての第２の間隔分の、前記検出された波形における強度および、ノッキングが発生した場合の前記内燃機関の振動の波形の基準として予め定められた波形モデルにおける強度の差に基づいて第１の値を算出するための第１の算出手段と、
   前記内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように第２の値を算出するための第２の算出手段と、
   前記第１の値を前記第２の値で除算することにより第３の値を算出するための第３の算出手段と、
   前記第３の値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備える、内燃機関のノッキング判定装置。
2. 前記内燃機関の出力軸回転数が小さいほどより小さくなるように、前記第２の間隔を設定するための手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
3. 前記第１の算出手段は、前記検出された波形における強度および前記波形モデルにおける強度の差を前記第２の間隔分だけ合計することにより前記第１の値を算出するための手段を含み、
   前記第２の算出手段は、前記内燃機関の出力軸回転数が第１の回転数である場合は前記波形モデルにおける強度から、正の数の、強度の基準値を減算した値を前記第２の間隔分だけ合計することにより第２の値を算出し、前記内燃機関の出力軸回転数が前記第１の回転数よりも大きい第２の回転数である場合は前記波形モデルにおける強度を前記第２の間隔分だけ合計することにより第２の値を算出するための手段を含み、
   前記判定手段は、前記第３の値が予め定められた値よりも小さい場合において、前記内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記検出された波形における強度の最小値を検出するための手段と、
   前記検出された波形における強度の最小値を前記基準値に設定するための手段とをさらに備える、請求項３に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
5. 前記検出された波形における強度の最小値を、複数の点火サイクルにおいて検出するための手段と、
   前記最小値の中央値に前記最小値の標準偏差および係数の積を加算した値を前記基準値に設定するための手段とをさらに備える、請求項３に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
6. 前記基準値を予め定められた値以下に制限するための手段をさらに備える、請求項５に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
7. 前記検出された波形における強度の最小値と強度が前記最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を算出するための手段と、
   前記平均値を前記基準値に設定するための手段とをさらに備える、請求項３に記載の内
   燃機関のノッキング判定装置。
8. 前記検出された波形における強度の最小値と強度が前記最小値になるクランク角に隣接するクランク角の強度との平均値を複数の点火サイクルにおいて算出するための手段と、
   前記平均値の中央値に前記平均値の標準偏差および係数の積を加算した値を前記基準値に設定するための手段とをさらに備える、請求項３に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
9. 前記基準値は、一定の値である、請求項３に記載の内燃機関のノッキング判定装置。

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