JP4949167B2 - 内燃機関のノック判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のノッキング振動を検出する振動波形検出手段の出力信号から複数の周波数帯の振動波形成分を抽出してノック判定する内燃機関のノック判定装置に関する発明である。

近年、自動車用の内燃機関（エンジン）は、高出力、低燃費、低エミッション等のために、可変バルブタイミング機構等の可変動弁機構を搭載したり、筒内噴射エンジンのように燃焼モードに応じて燃料噴射時期を変化させるものが増加しつつあるが、ノッキング振動を検出するノックセンサの出力信号に重畳するノイズとなる吸排気バルブの着座ノイズや燃料噴射弁の駆動ノイズは、内燃機関の制御状態によってノイズ発生時期が変動するため、これらのノイズとノッキングとの判別が困難となる場合がある。

そこで、特許文献１（特開２００７−９８１４号公報）に記載されているように、ノックセンサの出力信号から、ノッキング振動特有の波形が現れる複数の周波数帯の振動波形成分を複数のバンドパスフィルタによって抽出し、これら複数の周波数帯の振動波形成分を合成して、その合成振動波形に基づいてノッキングの有無を判定するようにしたものがある。
特開２００７−９８１４号公報（第１１頁等） 特開２００６−１６９９９６号公報（要約）

上述したように、ノックセンサの出力信号にノイズが重畳するタイミングが内燃機関の制御状態によって変動するため、ノック判定区間（燃焼行程のＴＤＣから例えばＡＴＤＣ９０℃Ａまでのクランク角区間）で、ノックセンサの出力信号から、ノッキング振動特有の波形が現れる複数の周波数帯の振動波形成分を抽出しても、内燃機関の制御状態によっては、ノック判定区間で抽出した複数の周波数帯の振動波形成分のいずれかにノイズが重畳する場合がある。

しかし、上記特許文献１のノック判定技術では、ノックセンサの出力信号から抽出した複数の周波数帯の振動波形成分を単純に合成するだけであるため、いずれかの周波数帯の振動波形成分にノイズが重畳していると、そのまま合成振動波形にもノイズが重畳してしまい、ノイズとノッキングとの判別が困難となる場合がある。

この対策として、特許文献２（特開２００６−１６９９９６号公報）に記載されているように、各周波数帯毎にノイズの有無を判定して、いずれかの周波数帯でノイズを検出したときに、ノック判定を禁止するようにしたものがあるが、実際にノッキングが発生しているときにノック判定を禁止すると、実際に発生しているノッキングを検出できないという問題が発生する。

本発明は上述したような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、ノックセンサ等の振動波形検出手段の出力信号から抽出した複数の周波数帯の振動波形成分のいずれかにノイズが重畳している場合でも、そのノイズの影響を低減して精度の良いノック判定を行うことができる内燃機関のノック判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関のノッキング振動に応じた振動波形信号を出力する振動波形検出手段と、この振動波形検出手段の出力信号から複数の周波数帯の振動波形成分を抽出するフィルタ手段と、前記内燃機関の制御状態によって発生時期が変動するノイズを判定するために、前記複数の周波数帯の振動波形成分に重畳するノイズの強度を各周波数帯毎に判定するノイズ強度判定手段と、前記複数の周波数帯の振動波形成分を合成して合成振動波形を生成する合成手段と、前記合成振動波形に基づいてノック判定を行うノック判定手段とを備え、前記合成手段によって複数の周波数帯の振動波形成分を合成する際に、複数の周波数帯の振動波形成分を、前記ノイズ強度判定手段により判定した各周波数帯のノイズ強度による影響度に応じて重み付けして、該重み付けした複数の周波数帯の振動波形成分を合成するようにしたものである。

本発明のように、複数の周波数帯の振動波形成分を合成する際に、複数の周波数帯の振動波形成分を、ノイズ強度判定手段により判定した各周波数帯のノイズ強度による影響度に応じて重み付けして合成すれば、複数の周波数帯の振動波形成分のいずれかにノイズが重畳している場合でも、そのノイズの影響を低減して複数の周波数帯の振動波形成分を合成することが可能となり、その合成振動波形に基づいて精度の良いノック判定を行うことができる。

この場合、請求項２のように、複数の周波数帯の振動波形成分を合成する際に、複数の周波数帯の振動波形成分を各周波数帯のノイズ強度が大きいほど小さい重み付けで合成するようにすると良い。このようにすれば、各周波数帯のノイズ強度による影響度をほぼ同一レベルに低減するように重み付けすることができ、各周波数帯のノイズ強度に応じた適正な重み付けをすることができる。

また、請求項３のように、ノイズが発生しやすい区間（以下「ノイズ強度判定区間」という）でフィルタ手段により抽出した各周波数帯の振動波形成分に基づいて各周波数帯のノイズ強度を判定するようにすると良い。このようにすれば、各周波数帯のノイズ強度を判定する際に、ノッキング振動の影響を少なくしてノイズ強度を精度良く判定することができる。

この場合、請求項４のように、ノイズ強度判定区間を吸排気バルブの開閉タイミングを考慮して設定するようにしても良い。このようにすれば、吸排気バルブの着座時に発生するノイズの影響をノイズ強度の判定結果に含ませることができる。

或は、請求項５のように、ノイズ強度判定区間を燃料噴射時期を考慮して設定するようにしても良い。このようにすれば、燃料噴射弁の駆動時に発生するノイズの影響をノイズ強度の判定結果に含ませることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１０によって開度調節されるスロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ燃料を筒内に噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

また、エンジン１１には、吸気バルブ２９のバルブタイミング（開閉時期）を可変する可変吸気バルブタイミング装置３１と、排気バルブ３０のバルブタイミングを可変する可変排気バルブタイミング装置３２とが設けられている。

一方、エンジン１１の排気管２２には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設けられ、この触媒２３の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ２４が設けられている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキング振動を検出するノックセンサ２８（振動波形検出手段）と、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２６が取り付けられている。このクランク角センサ２６の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２７に入力される。このＥＣＵ２７は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御する。

また、図２に示すように、ＥＣＵ２７には、ノックセンサ２８から出力される振動波形信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３５と、このＡ／Ｄ変換器３５の出力信号から例えば４つの周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を抽出する第１〜第４のバンドパスフィルタ３６〜３９（フィルタ手段）と、各バンドパスフィルタ３６〜３９から出力される４つの周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を合成してその合成振動波形に基づいてノック判定を行うノック判定部４０（ノック判定手段）等が設けられている。

この場合、第１〜第４のバンドパスフィルタ３６〜３９で抽出する周波数帯は、１次の周波数帯ｆ１（ノッキング振動の基本周波数帯）と２次〜４次の周波数帯ｆ２〜ｆ４であり、１次の周波数帯ｆ１（第１のバンドパスフィルタ３６の通過帯域）は、ノッキング振動の周波数のうちの最も低周波である基本周波数（シリンダのボア径によって決まる１次の共振周波数であり、例えば、７．５ｋＨ付近）を含む周波数帯に設定されている。また、２次〜４次の周波数帯ｆ２〜ｆ４（第２〜第４のバンドパスフィルタ３７〜３９の通過帯域）は、それぞれ２次〜４次の共振周波数を含む周波数帯（例えば、１２ｋＨ付近、１７ｋＨ付近、２１ｋＨ付近）に設定されている。

本実施例では、ノックセンサ２８の出力信号から１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を抽出してノック判定を行うノック判定区間は、燃焼行程のＴＤＣ（上死点）から例えばＡＴＤＣ９０℃Ａまでのクランク角区間に設定されているが、ノックセンサ２８の出力信号に重畳するノイズとなる吸排気バルブ２９，３０の着座ノイズや燃料噴射弁２０の駆動ノイズは、エンジン１１の制御状態によってノイズ発生時期が変動するため（図４参照）、ノックセンサ２８の出力信号から、ノッキング振動特有の波形が現れる複数の周波数帯の振動波形成分を抽出しても、エンジン１１の制御状態によっては、図５に示すように、ノック判定区間で抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分のいずれかにノイズが重畳する場合がある。

しかし、従来のノック判定技術では、ノック判定区間で抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を単純に合成するだけであるため、いずれかの周波数帯の振動波形成分にノイズが重畳していると、そのまま合成振動波形にもノイズが重畳してしまい、ノイズとノッキングとの判別が困難となる場合がある。

そこで、本実施例では、図３に示すように、ノック判定部４０は、第１〜第４のバンドパスフィルタ３６〜３９で抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分に重畳するノイズの強度を各周波数帯毎に判定するノイズ強度判定手段として機能すると共に、１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を各周波数帯のノイズ強度による影響度に応じた重み付けで合成して合成振動波形を生成する合成手段として機能する。具体的には、１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を合成する際に、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分に乗算する重み係数Ｇ１〜Ｇ４を、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度が大きいほど小さい値に設定する。
各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度の判定は、次のいずれかの方法で行えば良い。

［ノイズ強度判定方法（その１）］
各気筒の点火毎に、ノック判定区間内でノックセンサ２８の出力から抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分をそれぞれ積算して、その積算値（面積）をＥＣＵ２７のメモリに記憶する。これにより、図３に示すような１点火毎の各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分積算値の時系列データを作成し、この時系列データを各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度を表す指標として用いる。

［ノイズ強度判定方法（その２）］
ノイズ（例えば燃料噴射弁２０の駆動ノイズ、吸排気バルブ２９，３０の着座ノイズ）の発生タイミングを、可変バルブタイミング制御の目標進角値や目標噴射時期に基づいて予測して、そのノイズが発生するクランク角区間をノイズ強度判定区間に設定する。そして、このノイズ強度判定区間でノックセンサ２８の出力から抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分をそれぞれ積算して、その積算値（面積）をノイズ強度を表す指標として用いる。

［ノイズ強度判定方法（その３）］
ノック判定区間以外の区間で、ノイズが発生しやすい区間をノイズ強度判定区間として設定し、このノイズ強度判定区間でノックセンサ２８の出力から抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分をそれぞれ積算して、その積算値（面積）をノイズ強度を表す指標として用いる。

［ノイズ強度判定方法（その４）］
各気筒の点火毎に、ノック判定区間内でノックセンサ２８の出力から抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分について、それぞれノイズ（例えば燃料噴射弁２０の駆動ノイズ、吸排気バルブ２９，３０の着座ノイズ）の特徴を表す変数として例えばピーク値を抽出して、そのピーク値の平均値と分散を演算し、その中から最大の平均値を全ての周波数帯ｆ１〜ｆ４に共通する平均値（以下「最大平均値」という）として選択し、各周波数帯毎に分散と最大平均値との比に基づいてノイズ強度を判定する。この際、ノイズの特徴を表す変数として、ピーク値の代わりに、ノックセンサ２８の出力波形とノック特有の波形に相当する理想ノック波形との相関性を表す形状相関係数を用いるようにしても良い。

以上説明した本実施例のノッキングは、ＥＣＵ２７のノック判定部４０によって図６のノック判定プログラムに従って次のように実行される。

図６のノック判定プログラムは、ＥＣＵ２７の電源オン中に、ノックセンサ２８の出力サンプリング周期で実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ１００で、ノック判定区間（燃焼行程のＴＤＣから例えばＡＴＤＣ９０℃Ａまでのクランク角区間）であるか否かを判定し、ノック判定区間でなければ、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了し、ノック判定区間であれば、ステップ１０１に進み、ノックセンサ２８の出力信号をＡ／Ｄ変換器３５でＡ／Ｄ変換して読み込むことで、エンジン１１のシリンダブロックの振動を検出する。

この後、ステップ１０２に進み、読み込んだノックセンサ２８の出力信号のＡ／Ｄ変換値を第１〜第４のバンドパスフィルタ３６〜３９で処理して、１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を抽出する。そして、次のステップ１０３で、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分をそれぞれ積算して、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の所定クランク角（例えば５℃Ａ）毎の積算値をＥＣＵ２７のメモリに記憶する。

この後、ステップ１０４に進み、ノック判定区間の終了タイミングであるか否かを判定し、ノック判定区間の終了タイミングでなければ、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了する。これにより、ノック判定区間の終了タイミングになるまで、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の所定クランク角毎の積算値を算出する処理が繰り返される。

この後、ノック判定区間の終了タイミングになった時点で、ステップ１０５に進み、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度を前述したいずれかの方法で判定する。そして、次のステップ１０６で、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の所定クランク角毎の積算値を合成する際に用いる各周波数帯ｆ１〜ｆ４の重み係数Ｇ１〜Ｇ４を、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度が大きいほど小さい値に設定する。

この後、ステップ１０７に進み、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の所定クランク角（５℃Ａ）毎の積算値にそれぞれ重み係数Ｇ１〜Ｇ４を乗算してそれらを合成して、所定クランク角毎の合成振動波形を求める。
合成振動波形＝ｆ１×Ｇ１＋ｆ２×Ｇ２＋ｆ３×Ｇ３＋ｆ４×Ｇ４

そして、次のステップ１０８で、所定クランク角毎の合成振動波形（積算値）を正規化する。ここで、正規化とは、所定クランク角毎の合成振動波形（積算値）をそれぞれピーク値Ｐで除算することにより、振動の強度を無次元数（例えば０〜１の無次元数）で表す処理をいう。この正規化に用いるピーク値Ｐは、所定クランク角毎の合成振動波形の積算値のうちの最大の積算値が用いられる。この正規化により、振動の強度に関係なく、検出された合成振動波形と、予め記憶した理想ノック波形（ノック特有の波形を表す振動波形）との比較を行なうことができるため、振動の強度に対応した多数の理想ノック波形を記憶しておく必要がなく、理想ノック波形の作成が容易となる。

この後、ステップ１０９に進み、正規化後の合成振動波形と理想ノック波形との一致度合を表す形状相関係数を次のようにして算出する。まず、正規化後の合成振動波形のレベルが最大になるタイミング（つまりピーク位置）と、理想ノック波形において振動強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、所定クランク角（例えば５℃Ａ）毎に、合成振動波形と理想ノック波形との偏差の絶対値ΔＳ(I）を算出する。

この後、ノック判定区間におけるΔＳ(I）の総和ΣΔＳ(I）と理想ノック波形の積分値Ｓとを用いて形状相関係数Ｋを次式より算出する。
Ｋ＝｛Ｓ−ΣΔＳ(I）｝／Ｓ

これにより、ノック判定区間の合成振動波形と理想ノック波形との一致度合（類似性）を数値化して客観的に判定することができる。また、合成振動波形と理想ノック波形とを比較することで、振動の減衰傾向等の振動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。

この後、ステップ１１０に進み、形状相関係数Ｋが所定値よりも大きいか否かを判定する。このステップ１１０で、形状相関係数Ｋが所定値以下である（つまり、ノック判定区間の合成振動波形と理想ノック波形との一致度合が低い）と判定されれば、ステップ１１３に進み、ノッキングが発生していないと判定して、点火時期を進角する。

一方、上記ステップ１１０で、形状相関係数Ｋが所定値よりも大きい（つまり、ノック判定区間の合成振動波形と理想ノック波形との一致度合が高い）と判定されれば、ステップ１１１に進み、所定クランク角毎の合成振動波形積算値のピーク値Ｐと、形状相関係数Ｋと、バックグランドレベルＢＧＬとを用いてノック強度Ｎを次式により算出する。
Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬ

上式において、バックグランドレベルＢＧＬは、ノッキングが発生していない状態におけるエンジン１１の振動強度を表す値である。これにより、合成振動波形と理想ノック波形との一致度合に加えて、振動強度も考慮して、エンジン１１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。

この後、ステップ１１２に進み、ノック強度Ｎがノック判定値よりも大きいか否かを判定し、ノック強度Ｎがノック判定値以下であれば、ステップ１１３に進み、ノッキングが発生していないと判定して、点火時期を進角する。

一方、上記ステップ１１２で、ノック強度Ｎがノック判定値よりも大きいと判定されれば、ステップ１１４に進み、ノッキングが発生したと判定して、点火時期を遅角する。これにより、ノッキングの発生を抑制する。

以上説明した本実施例によれば、ノックセンサ２８の出力信号を第１〜第４のバンドパスフィルタ３６〜３９で処理して１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を抽出し、これら各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を合成する際に、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度による影響度に応じた重み付けで合成するようにしたので、いずれかの周波数帯の振動波形成分にノイズが重畳している場合でも、そのノイズの影響を低減して各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を合成することが可能となり、その合成振動波形に基づいて精度の良いノック判定を行うことができる。

しかも、本実施例では、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を合成する際に、各周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分に乗算する重み係数Ｇ１〜Ｇ４を、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度が大きいほど小さい値に設定するようにしたので、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度による影響度をほぼ同一レベルに低減するように重み付けすることができ、各周波数帯ｆ１〜ｆ４のノイズ強度に応じた適正な重み付けをすることができる。

尚、本実施例では、ノックセンサ２８の出力信号から４つの周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分を抽出するようにしたが、３つ以下又は５つ以上の周波数帯の振動波形成分を抽出するようにしても良い。

その他、本発明は、図１のような筒内噴射エンジンに限定されず、吸気ポート噴射エンジンにも適用して実施することができ、また、可変バルブタイミング装置等の可変動弁装置が搭載されていないエンジンにも適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは言うまでもない。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体を示す概略構成図である。 ノックセンサの出力信号を処理する回路を示すブロック図である。 ノック判定部の機能を説明する図である。 ノック判定区間とバルブ着座ノイズとの関係を説明する図である。 ノックセンサの出力信号から抽出した１次〜４次の周波数帯ｆ１〜ｆ４の振動波形成分にノイズが重畳していない場合の波形とノイズが重畳している場合の波形を対比して説明する図である。 ノック判定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２１…点火プラグ、２２…排気管、２７…ＥＣＵ、２８…ノックセンサ（振動波形検出手段）、２９…吸気バルブ、３０…排気バルブ、３１…可変吸気バルブタイミング装置、３２…可変排気バルブタイミング装置、３６〜３９…第１〜第４のバンドパスフィルタ（フィルタ手段）、４０…ノック判定部（ノック判定手段，ノイズ強度判定手段，合成手段）

Claims (5)

1. 内燃機関のノッキング振動に応じた振動波形信号を出力する振動波形検出手段と、
   前記振動波形検出手段の出力信号から複数の周波数帯の振動波形成分を抽出するフィルタ手段と、
   前記内燃機関の制御状態によって発生時期が変動するノイズを判定するために、前記複数の周波数帯の振動波形成分に重畳するノイズの強度を各周波数帯毎に判定するノイズ強度判定手段と、
   前記複数の周波数帯の振動波形成分を、前記ノイズ強度判定手段により判定した各周波数帯のノイズ強度による影響度に応じて重み付けして、該重み付けした前記複数の周波数帯の振動波形成分を合成して合成振動波形を生成する合成手段と、
   前記合成振動波形に基づいてノック判定を行うノック判定手段と
   を備えた内燃機関のノック判定装置。
2. 前記合成手段は、前記複数の周波数帯の振動波形成分を各周波数帯のノイズ強度が大きいほど小さい重み付けで合成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判定装置。
3. 前記ノイズ強度判定手段は、ノイズが発生しやすい区間（以下「ノイズ強度判定区間」という）で前記フィルタ手段により抽出した各周波数帯の振動波形成分に基づいて各周波数帯のノイズ強度を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のノック判定装置。
4. 前記ノイズ強度判定手段は、前記ノイズ強度判定区間を吸排気バルブの開閉タイミングを考慮して設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のノック判定装置。
5. 前記ノイズ強度判定手段は、前記ノイズ強度判定区間を燃料噴射時期を考慮して設定することを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関のノック判定装置。

Images