JP4803835B2 - ノックセンサのフェール検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ノックセンサのフェール検出方法に関し、特に、多気筒エンジンにおけるノックセンサの断線検知に好適なノックセンサのフェール検出方法に関する。

ノックセンサで感知されたエンジン振動に基づいてノッキングを検出するノック検出装置において、ノックセンサが断線等のフェールを生じることがある。そこで、ノック信号の平均値と所定の判定レベルとを比較することによりノックセンサのフェールを検出する方法がとられていた。また、エンジンの低回転数域におけるＳ／Ｎ比の低下による検出精度の問題点を解決するためにノック判定区間内のノック信号の最大値と所定レベルとを比較してノックセンサのフェールを検出する方法も知られている。しかし、特に低回転数域で電気ノイズがノックセンサの信号線に重なった場合、断線している場合でもノック信号線の信号レベルが大きくなってフェールを検知できないことがある。

そこで、正常時のノック信号波形と、断線時に電気ノイズが重なった場合のノック信号波形との相違点に着目して、ノックセンサ出力信号の交流成分波形のピーク値に対応する値を周期的にサンプリングし、このサンプリング値をその値が大きくなる都度逐次置き換えて最大値を検出し、所定角度期間のサンプリング開始時点から最大値に至るまでの置き換え回数を算出し、この置き換え回数と最大値とに応じてノックセンサのフェールを検出する方法が提案されている（特公平５−６５８１１号公報参照）。
特公平５−６５８１１号公報

特許文献１に開示されたノックセンサフェール検出方法は、正常時のノック信号波形と断線時のノック信号波形との相違点に基づいてフェールを検出しているので、単に最大値を所定レベルと比較する方法よりは高い検出精度が期待できる。しかし、この方法は、ノック信号波形の変化状態を監視するため、置き換え回数を算出する等、処理が繁雑である。

本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、ノック信号のレベル判断だけで容易に断線の有無を判定することができるノックセンサのフェール検出方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、多気筒エンジンに固定されるノックセンサのフェール検出方法において、気筒毎に設定されたノイズゲート期間で前記ノックセンサから出力されるノック信号をノイズレベルとして検出し、１サイクル中の各気筒の前記ノイズレベルのうち最大値を検出し、前記ノイズレベルの最大値をフェール判定値と比較し、前記ノイズレベルの最大値がフェール判定値より小さいときにセンサフェールと判定する点に第１の特徴がある。

また、本発明は、第１の特徴に加え、各気筒毎に設けられたノックゲート期間でノック信号をノックレベルとして検出し、ノックレベルとノイズレベルとの対比でノックの有無を判定するノック検出システムに使用されるノックセンサのフェール検出方法において、前記ノックゲート期間が、圧縮上死点から開始される期間であり、前記ノイズゲート期間が、前記ノックゲート期間とは異なる期間に設定されている点に第２の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、エンジン回転数が低い領域でも、１サイクル中のノイズレベルの最大値を検出することで、断線等フェール時のノイズレベルとの比を大きくしてフェール時と正常時とのノイズレベルの切り分けが可能になる。

第２の特徴を有する本発明によれば、ノックレベルとノイズレベルとの対比でノック発生の有無を判定するシステムにおいて、ノックレベルは圧縮上死点から開始される期間、つまり爆発行程で検出され、ノイズレベルは爆発行程と離れたノック信号が小さい区間で検出されるので、ノックレベルとノイズレベルとの対比の精度が高い。第２の特徴を有する本発明では、このようなノック検出システムにおいて使用され、高精度なノックセンサのフェール検出方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るノックセンサのフェール検出方法を適用したエンジンＥＣＵの要部システム構成図である。このエンジンＥＣＵで制御されるエンジンは４気筒エンジン等、多気筒エンジンである。図２において、エンジンＥＣＵ１は、ゲイン切替回路２、直流カット回路３、保護回路４、ノックＩＣ５、制御ＣＰＵ６、および点火回路７を備える。エンジンＥＣＵ１とは別にノックセンサ８および点火コイル９がさらに設けられる。ノックセンサ８は、図示しないエンジンの、予め設定された気筒にねじ止め等で固定される。

ノックセンサ８の出力信号つまりノック信号はシールド線１０を経由してゲイン切替回路２に入力される。ゲイン切替回路２はエンジン回転数に応じてノック信号に対するゲインを切り替える。ゲイン切替回路２に関してはさらに後述する。ゲイン切替回路２でゲインが与えられたノック信号は直流カット回路（コンデンサからなる）３で直流成分がカットされて、交流成分のみが保護回路４を経てノックＩＣ５の入力端子に入力される。

ノックＩＣ５は第１の期間つまりノックゲート信号が入力されている間に検出されたノック信号のレベル（ノックレベル）を算出する機能と、第２の期間つまりノイズゲート信号が入力されている間に検出されたノック信号のレベル（ノイズレベル）を算出する機能とを有する。ノックレベルはＦＦＴ解析と振幅和とによって算出し、ノイズレベルはピーク値とボトム値との差として算出する。

制御ＣＰＵ６はノックＩＣ５に対してノックゲート信号と、ノイズゲート信号と、ＦＦＴ解析のための解析周波数とを供給する。これに対して、ノックＩＣ５は算出したノックレベルとノイズレベルを制御ＣＰＵ６に入力する。制御ＣＰＵ６はノックＩＣ５から供給されたノックレベルとノイズレベルとの差をしきい値と比較してノックレベルの大きさを判断し、ノッキングの有無を検出する。ノッキングが検出されたならば、点火回路７に点火時期を遅らせる遅延指示を入力する。点火回路７は遅延指示に応答して、点火時期を遅延させてノッキングを解消するように動作する。点火コイル９は点火回路７から供給される点火指示に従ってエンジンに点火する。

なお、ノックゲート信号やノイズゲート信号を出力するタイミングは、圧縮上死点を基準に決定される。圧縮上死点は、例えば、特許文献１に開示されているようなシグナルロータと電磁ピックアップとにより周知の手法により検知することができる。圧縮上死点の検知信号は制御ＣＰＵ６に入力される。

図３は、４気筒エンジンの各気筒の圧縮上死点検知信号（ＴＤＣ）とノックゲート信号およびノイズゲート信号との関連を示すタイミングチャートであり、ノック信号の一例を併せて示している。図３において、符号ＴＤＣは圧縮上死点、符号ＩＶＣは吸気弁閉時期を示し、♯１〜♯４は気筒を区別する符号である。ノイズゲート信号は各気筒に関して、ノッキングが発生するおそれがないと考えられる区間で出力される（ハイレベルになる）。一方、ノックゲート信号は各気筒に関して、ノッキングが発生するおそれがある区間、つまり圧縮上死点から開始される区間で出力される（ローレベルになる）。点火時期は一般的に圧縮上死点の直前であり、その後、爆発行程となり、点火時期が不適当である等の場合、この爆発行程でノックが発生する。本実施形態のノックセンサのフェール検出方法は、このタイミングチャートに関してさらに後述する。

上述のゲイン切替回路２をさらに詳述する。図４は、ゲイン切替回路２の一例を示す回路図である。ゲイン切替回路２は、複数のコンデンサＣ１、Ｃ２およびＣ３を含む。コンデンサは三つに限らず、さらに増やしてもよい。コンデンサＣ１はノック信号と接地間に設けられている。つまりノック信号にはコンデンサＣ１によって決定されるゲインが常に与えられている。これに対して、コンデンサＣ２、Ｃ３はそれぞれスイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して接地されている。そして、スイッチＳＷ１は、エンジン回転数が第１の回転数（例えば、５０００ｒｐｍ）以上にあるときにオンとなり、スイッチＳＷ２は、エンジン回転数が第１の回転数より高い第２の回転数（例えば、８０００ｒｐｍ）以上にあるときにオンになる。したがって、エンジン回転数が高くなるほど、コンデンサＣ１に加えてコンデンサＣ２、Ｃ３の容量が加算されてゲインが設定される。

ところで、ゲイン切替回路２はこのように複数のコンデンサからなるので、エンジン回転数に応じて切り替えを行った場合、ノックセンサ８からの発生電荷が各コンデンサに蓄電されるまで、ノック信号のレベルが安定せず、結果として、ノック発生有無の検出精度が落ちるおそれがある。

そこで、ゲイン切替回路２でゲインを切り替えた場合、その切り替え後、予定の時間または予定のサイクル（行程）間は、ノック発生有無の判定等の制御を停止することにより検出精度を確保することが望ましい。

図５は、ゲイン切り替え時の処理を示すフローチャートである。図５において、ステップＳ１では、ゲイン切り替えたか否かを判断する。ゲインが切り替えられた後でなければ、ステップＳ２に進んでノックレベルを読み込み、ステップＳ３に進む。ステップＳ３ではノイズレベルを読み込む。ステップＳ４では、ノイズレベルに定数を乗算した値とノックレベルとを比較し、ノックレベルの方が大きい場合は、ステップＳ５に進んでノック検知信号を出力する。ノック検知信号レベルをオンにする。ステップＳ４で、ノックレベルの方が小さいと判定された場合は、ステップＳ６に進んでノック検知信号を出力しない。つまりノック検知信号レベルをオフにする。

ステップＳ１の判断が肯定、つまりゲインが切り替えられたならば、ステップＳ７に進んで、予定時間（または予定サイクル）経過したか否かを判断する。そして、予定時間または予定サイクルが経過すると、ステップＳ２に進む。ゲイン切り替え後、予定時間が経過するまでは、ステップＳ２〜Ｓ６はスキップされるので、ノック有無は判断されない。

図６は、ゲイン切り替え時のノイズレベルを示す図である。図６において、横軸は時間、縦軸はエンジン回転数Ｎｅ、ノイズレベル（電圧）ＶＮＬ、およびゲインＧである。この図では、時間ｔ１でエンジン回転数が８０００ｒｐｍを越えて、ゲインが切り替わっている。このゲインの切り替えにより、ノイズレベルは急激に低下する。このノイズレベルの急低下が収まってノイズレベルが安定するまでの時間を考慮して、ノック判定休止時間Ｔを、例えば６００ミリ秒設ける。そして、休止時間６００ミリ秒が経過した後に、ノイズレベルとノックレベルとに基づいてノック判定を再開する。

図１は、ノックセンサのフェール検出処理を示すフローチャートである。図１を図３と併せて説明する。ステップＳ１０では、ノイズゲート信号がオンか否かを判断し、ノイズゲートがオンになったならば、ステップＳ１１に進んでノイズレベルの最大値を検出する。ノイズレベルの最大値は制御ＣＰＵ６内に設けられる周知のピークホールド機能により検出する。ステップＳ１２では、ノイズゲート信号がオフになったか否かを判断し、ノイズゲート信号がオフになるまで、ピークホールド動作を繰り返す。

ノイズゲート信号がオフになったならば、ステップＳ１３に進んでピークホールド機能による検出結果（今回ノイズレベル）を、制御ＣＰＵ６内のノイズレベルバッファに格納されている値と比較する。最初はノイズレベルバッファは初期値として小さい値（例えばゼロ）を設定するので、このステップＳ１３の判断は肯定となる。ステップＳ１３が肯定ならば、ステップＳ１４に進んでノイズレベルバッファの値を今回ノイズレベルで更新する。つまり、ノイズレベルバッファには常にノイズレベルの最大値が格納される。ステップＳ１３が否定ならば、ステップＳ１４はスキップされる。

ステップＳ１５では、１サイクル経過したか否かが判断される。つまり、４気筒の全てのノイズゲート期間（ノイズゲート信号がオンになっている期間）におけるノイズレベルの最大値の検出が終了したか否かが判断される。ステップＳ１５が否定ならば、このフローチャートの処理は終了して、次の気筒に関するノイズゲート信号がオンになったときに、ステップＳ１０からの処理が再び開始される。

ステップＳ１５が肯定の場合、ステップＳ１６に進んで、ノイズレベルバッファの値をフェール判定値より小さいか否かを判断する。ノイズレベルバッファの値がフェール判定値より小さい場合は、ノックセンサ８が断線していると判断して、ステップＳ１７に進み、フェール信号を出力する。

本実施形態では、４気筒すべてのノイズゲート期間についてノイズレベルを判断し、その最大値を検出している。ノックセンサ８は４気筒のいずれか一つに固定されるので、ノックセンサ８が固定された気筒では、固定位置から比較的遠い距離にある他の気筒と比べてノイズレベルが大きい。したがって、１サイクルのノイズレベルのうちから最大値を検出することによって、ノイズレベルと断線時のノイズとを切り分けることができる。特に、エンジン回転数が小さくてノイズレベルが小さいときであっても、正常時にはノックセンサ８が固定されている気筒からは大きいノイズレベルが検出されるはずであるので、この大きなノイズレベルに対応してフェール判定値を大きくして判定することができる。

本発明の一実施形態に係るノックセンサのフェール検出処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るノックセンサのフェール検出方法を適用したエンジンＥＣＵの要部システム構成図である。 ４気筒エンジンの各気筒の圧縮上死点検知信号（ＴＤＣ）とノックゲート信号およびノイズゲート信号との関連を示すタイミングチャートである。 ゲイン切替回路２の一例を示す回路図である。 ゲイン切り替え時の処理を示すフローチャートである。 ゲイン切り替え時のノイズレベルを示す図である。

符号の説明

１…エンジンＥＣＵ、 ２…ゲイン切替回路、 ５…ノックＩＣ、 ８…ノックセンサ

Claims (2)

1. 多気筒エンジンに固定されるノックセンサのフェール検出方法において、
   気筒毎に設定されたノイズゲート期間で前記ノックセンサから出力されるノック信号に対してエンジン回転数に応じたゲインを与え、
   前記ゲインが与えられたノック信号をノイズレベルとして検出し、
   １サイクル中の、各気筒の前記ノイズレベルのうち最大値を検出し、
   前記ノイズレベルの最大値をフェール判定値と比較し、
   前記ノイズレベルの最大値がフェール判定値より小さいときにセンサフェールと判定するとともに、
   エンジン回転数の変化に応じて複数のコンデンサの切り替えによって前記ゲインを切り替えた後、所定の時間経過するまではセンサフェールの判定を禁止することを特徴とするノックセンサのフェール検出方法。
2. 気筒毎に設けられたノックゲート期間でノック信号をノックレベルとして検出し、ノックレベルとノイズレベルとの対比でノックの有無を判定するノック検出システムに使用される請求項１記載のノックセンサのフェール検出方法において、
   前記ノックゲート期間が、圧縮上死点から開始される期間であり、前記ノイズゲート期間が、前記ノックゲート期間とは異なる期間に設定されていることを特徴とする請求項１記載のノックセンサのフェール検出方法。

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