JP5116613B2 - 内燃機関のノック検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン電流に基づいて正確なノッキング判定を実現する内燃機関のノック検出装置に関する。

ノッキング（以下ノックと略す）とは、内燃機関の燃焼室において混合気の異常燃焼によって金属性の打撃音を発する現象を一般に意味する。そして、これを放置するとエンジン壁面の疲労劣化が促進されるなど、更なるトラブルに至るので、確実にノックを検出する各種の手法が提案されている（特許文献１）。
特表平１１−５０８６６６

特許文献１に記載の発明では、内燃機関のシリンダに配置されたノックセンサによって異常振動を検出し、所定の測定ウインド内のノックセンサ信号を積分することでノックエネルギーの有無を判定している。

しかしながら、混合気が早期着火されて生じるプレイグニッション(pre ignition)時には、これに続いてノック状態となることも多いところ、従来技術における固定的な測定ウインドでは、プレイグニッション（以下プレイグと略す）に続くノックを検出できないことになる。そして、ノック発生を見逃して、これを放置すると、燃焼室内の壁の温度が上昇するので、益々プレイグが発生しやすい環境となり、内燃機関に重大な障害を与えかねない。

ここで、ノックセンサの出力に基づいてプレイグの発生を検出する方法は知られているが（特許文献２）、ノックセンサの異常出力を見逃すようなことがあると、何の意味もない。
特開平１１−２４７７５０号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、プレイグ時にも正確なノック判定を可能にした内燃機関のノック検出装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る内燃機関のノック検出装置は、一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御回路と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、内燃機関の適所に配置されて振動を検出するノックセンサと、を有して構成され、
前記制御回路は、スイッチング素子がＯＦＦ遷移動作して所定時間経過後から開始される定常判定ウインドにおけるノックセンサの出力に基づいてノック判定をしてその後の燃焼制御を実行する定常制御手段と、前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移動作に先行するＯＮ動作時における(1) 前記検出信号が連続して所定レベルを超える継続時間、(2) 連続して所定レベルを超える前記検出信号の積分値、または、(3) 前記検出信号が連続して所定レベルを超える超過回数、の全部又は一部に基づいて、燃焼状態が早期に開始されているか否かを判定する予備判定手段と、予備判定手段によって燃焼状態が早期に開始されていると判定される場合には、定常手段を機能させることなく、ノッキングが発生しているものと擬制的に判定してその後の燃焼制御を実行するか、或いは、定常判定ウインドに代えて、ＯＦＦ遷移動作時から開始する特別判定ウインドを適用して、特別判定ウインドにおけるノックセンサの出力に基づいてノック判定をして、その後の燃焼制御を実行する例外制御手段と、を設けて構成されている。

また、予備判定は、好ましくは、サンプリング周期毎に前記検出信号を取得し、この取得データＤＴが所定レベルＴＨを超える場合には、取得番号ｉに対応する記憶領域ＶＯＬ（ｉ）に取得データを加算する一方、取得データＤＴが所定レベルＴＨを超えない場合には、取得番号ｉを増加させている。

或いはまた、予備判定は、好ましくは、サンプリング周期毎に前記検出信号を取得し、この取得データＤＴが所定レベルＴＨを超える場合には、タイマ変数Ｔを増加させる一方、前記タイマ変数Ｔの値を、取得番号ｉに対応する記憶位置ＴＭ（ｉ）に格納して、その後、取得番号ｉを増加させている。

上記した本発明によれば、プレイグ時にも正確にノック判定をして、内燃機関の適切な運転を維持することができる。

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、実施例に係るノック検出装置ＩＧＮを示す回路図である。

図示の通り、このノック検出装置ＩＧＮは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ(Engine Control Unit)と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とからなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＳＧに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、イオン電流に比例するノック検出信号Ｖｏを出力するイオン電流検出回路ＩＯＮと、内燃機関の適所に配置された不図示のノックセンサＳＥと、を中心に構成されている。

図示の通り、ＥＣＵは、イオン電流検出回路ＩＯＮのノック検出信号Ｖｏと、ノックセンサＳＥの出力を受けているが、ＥＣＵは、内蔵するＡＤコンバータによって各信号を、ＡＤ変換した後に記憶するよう構成されている。

スイッチング素子Ｑは、ここではＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)が使用されている。そして、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受けており、エミッタ端子は、グランドに接続されている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、電流検出回路として機能するＯＰアンプＡＭＰを中心に構成され、コンデンサＣ１、ツェナーダイオードＺＤ、ダイオードＤ１，Ｄ２、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を有して構成されている。なお、コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン電流検出時のバイアス電圧が生成される。

二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。図示の通り、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のカソード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。ＯＰアンプの非反転端子は、グランドに接続され、反転端子と非反転端子の間には、ダイオードＤ２が接続されている。

図２〜図４は、上記したイオン電流検出回路ＩＯＮの動作内容を説明する図面である。先ず、点火パルスＳＧがＬレベルからＨレベルに変化するＯＮ遷移時（タイミングＴ０）には、スイッチング素子ＱがＯＮ動作することで、一次コイルＬ１にコイル電流ｉｃ１が流れ始める。図３に示す通り、このＯＮ遷移時に、二次コイルＬには、高圧端子が正レベルとなる誘起電圧が生じるので、この誘起電圧によって点火プラグＰＧの漂遊容量を充電する過渡電流が瞬間的に流れる。

この過渡電流は、電流検出抵抗Ｒ２にも流れるので、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、短時間だけ高レベルとなる（図２（ｃ）のタイミングＴ０参照）。このタイミングでは内燃機関は、圧縮工程であるから、燃焼室内に導入された混合気は、加圧されることで温度が上昇する傾向となる。一方、点火プラグＰＧの両端電圧は、タイミングＴ０に充電された高電圧状態を維持していると思われる。

そして、図１に示す燃焼制御回路では、イオン電流検出回路を機能させるために、逆方向放電を防止するダイオードを設けることができない。そのため、場合によっては、スイッチング素子がＯＮ状態であって、一次コイルが通電しているタイミングで、点火プラグが逆方向に放電するおそれがある。

図２（ｃ）に示す通り、ここでは、Ｔ１のタイミングで逆方向放電が発生したことにする。このような逆方向放電が生じると、例えば、圧縮工程の混合気が更に温度上昇したタイミングで混合気が着火され、燃焼反応が開始される可能性がある。燃焼状態が開始されるとイオン電流が図３の矢印方向に流れるが、図示例では、Ｔ２のタイミングから、イオン電流が認められる。

このように、図２では、逆方向放電に起因してプレイグが発生した場合を例示しているが、逆方向放電が発生しない場合でも、燃焼室内にカーボンスラッジなどの熱源が存在すると、圧縮行程の混合気が、この熱源によって自己着火してプレイグ状態となることもある。

図２に関して説明を続けると、Ｔ３のタイミングで点火パルスＳＧが、ＨレベルからＬレベルに変化すると、スイッチング素子ＱがＯＦＦ状態に遷移して、二次コイルＬ２には、高圧端子が負の高電圧が誘起される（図４参照）。そのため、図４に示す正方向の放電電流が流れ、本来なら、この点火放電を契機にして燃焼反応が開始される。但し、図２に示す実施例では、Ｔ２のタイミングにおいて既に燃焼反応が開始されている。なお、プレイグによる燃焼波形がＴ３のタイミングで途絶えるのは、イオン電流より格段に高レベルのプラグ放電電流が図４の経路で流れるからである。

このプラグ放電によって、コンデンサＣ１が充電されるが、このコンデンサＣ１にはツェナーダイオードＺＤが並列に接続されているので、コンデンサＣ１の両端電圧は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧に規定される一定電圧となる。

その後、タイミングＴ３から、一次コイルＬ１及び二次コイルＬ２の磁路を形成する鉄心に残留する磁気によって残留磁気ノイズ（放電ノイズ）が発生し、この残留磁気ノイズが収束した後に、本来の燃焼反応に対応したイオン電流がイオン電流検出回路ＩＯＮから検出される。

以上の動作内容を踏まえて、プレイグとノックの検出アルゴリズムを説明する。図５（ａ）は、この検出アルゴリズムを説明するフローチャートである。この処理は、図２（ｄ）に示す計測ウインドＷＩＮの区間で実行される。すなわち、この検出処理は、スイッチング素子ＱがＯＮ遷移した後、過渡電流が収束したと思われるタイミングに開始され、スイッチング素子ＱがＯＦＦ遷移する直前に終了する。

なお、図５（ａ）のフローチャートにおいて、変数ｉは、イオン検出信号Ｖｏの検出番号、ＶＯＬ（ｉ）はイオン検出信号Ｖｏの累積値（積分値）を格納する配列、ＴＭ（ｉ）は有意レベルのイオン検出信号Ｖｏの継続時間を格納する配列、ＴＨはプレイグ検出用の閾値、変数ＤＴはイオン検出信号ＶｏがＡＤ変換された取得データ、変数Ｔは有意レベルのイオン検出信号Ｖｏの継続時間を計測するためのタイマ、変数ＦＬＧはイオン検出信号ＶｏのＨ／Ｌレベルの推移を示すフラグである。

以上を踏まえて図５（ａ）について説明する。先ず、配列ＶＯＬ及び配列ＴＭの全領域をゼロクリアすると共に、変数ｉを１に初期設定する（ＳＴ１）。次に、フラグＦＬＧとタイマ変数Ｔをゼロクリアする（ＳＴ２）。

以上の初期処理が終われば、現在が、プレイグ判定時か否かが判定される（ＳＴ３）。プレイグ判定時とは、計測ウインドＷＩＮの終期であり、図２に示すタイミングＴ３の直前のタイミングを意味する。

そして、プレイグ判定時に達していない場合には、現在が、イオン検出信号Ｖｏの取得タイミングか否かが判定される（ＳＴ４）。例えば、サンプリング周波数を３０ｋＨｚとする場合には、サンプリング周期（＝１／３０ｍＳ）に達したか否かが、ステップＳＴ４の処理で判定される。なお、サンプリング周期に達したことは、例えば、割込み周期１／３０ｍＳのタイマ割込みが生じたか否かで検出される。

そして、データ取得タイミングに達すると、ＡＤコンバータをソフトウェア起動して（ＳＴ５）、開始されたＡＤ変換処理が終わるのを待つ（ＳＴ６）。そして、ＡＤ変換の終了が確認されると、ＡＤ変換されたイオン検出信号Ｖｏを変数ＤＴに取得する（ＳＴ７）。

次に、取得データＤＴが、閾値ＴＨと対比され（ＳＴ８）、取得データＤＴが、閾値ＴＨより小さい場合には（ＤＴ＜ＴＨ）、ステップＳＴ１０の処理に移行してフラグＦＬＧの値が判定される（ＳＴ１０）。閾値ＴＨは、十分に高いレベルに設定されているので、イオン検出信号Ｖｏが、単なるノイズレベルであれば、ＤＴ＜ＴＨとなって、フラグＦＬＧの値が判定される。

フラグＦＬＧは、初期段階ではゼロに設定されているが（ＳＴ２）、イオン検出信号Ｖｏが閾値を超えた後は、フラグＦＬＧが１となっている（ＳＴ９）。したがって、ＦＬＧ＝０であれば、イオン検出信号Ｖｏが、継続して低レベルであることを意味するので、ステップＳＴ３に移行して、次回のデータ取得タイミングに達するのを待つことになる。

一方、ステップＳＴ１０のタイミングにおいてＦＬＧ＝１であれば、一旦、高レベルに上昇したイオン検出信号Ｖｏが、その後に低レベルに降下したことを意味する。そこで、この場合には、イオン検出信号Ｖｏが高レベルを維持した状態で、タイマ変数Ｔで計測された継続時間を、配列ＴＭのｉ番目の要素として格納する（ＳＴ１１）。この処理によって、イオン検出信号Ｖｏに関する、ｉ番目の有意データについての処理が終わるので、変数ｉをインクリメントして、ステップＳＴ２に移行する（ＳＴ１１）。その結果、タイマ変数Ｔは、ゼロに初期設定され、フラグＦＬＧもゼロに初期設定される（ＳＴ２）。

ところで、ステップＳＴ８の判定において、イオン検出信号Ｖｏの取得値ＤＴが、閾値ＴＨ以上であると判定される場合には、その取得値ＤＴを、配列ＶＯＬのｉ番目の要素に加算する（ＳＴ９）。この処理によって、配列ＶＯＬ（ｉ）には、連続して有意レベルを示すイオン検出信号Ｖｏの総和値（積分値）が格納されることになる。

また、ステップＳＴ９では、フラグＦＬＧを１にセットすると共に、タイマ変数ＴをインクリメントしてステップＳＴ３の処理に戻る。ステップＳＴ９におけるタイマ変数Ｔのインクリメント処理は、イオン検出信号Ｖｏが継続して有意レベルを示す時間を計測する処理に他ならず、タイマ変数Ｔには、計測された継続時間が格納される。なお、この継続時間は、イオン検出信号Ｖｏが立ち下がった瞬間に、ステップＳＴ１１の処理によって、配列ＴＭ（ｉ）に格納される。

以上のような処理を繰返していると、やがて、プレイグ判定時に達する（ＳＴ３）。そして、このプレイグ判定タイミングでは、先ず、フラグＦＬＧの値が判定され（ＳＴ１２）、もし、ＦＬＧ＝１であれば、ステップＳＴ９の処理によって計測されていた継続時間を配列ＴＭ（ｉ）に格納する（ＳＴ１３）。

このタイミングにおける変数ｉの値は、計測ウインドＷＩＮの区間中、閾値ＴＨを超える有意レベルのイオン検出信号Ｖｏが、合計で何個検出されたかを示している。正常な運転状態であれば、検出個数ｉ＝０の筈であるが、図２（ｃ）に示す逆方向放電や、プレイグが生じた異常時にはｉ≠０となっている。

例えば、検出個数ｉ＝１であれば、逆方向放電（オン時放電）は生じたが、プレイグには至っていないと推定することができる。或いはまた、検出個数ｉ＝１の場合には、逆方向放電（オン時放電）が生じることなく、プレイグに至った可能性もある。

但し、いずれの事態が発生したかは、イオン検出信号Ｖｏが有意レベルを示した継続時間ＴＭ（１）や、積分値ＶＯＬ（１）によって推定することができる。

また、検出個数ｉ＝２であれば、逆方向放電（オン時放電）が生じた後に、それがプレイグに至ったと推定することができる。

そこで、変数ｉの値ｎと、配列ＴＭ（１）〜ＴＭ（ｎ）の値と、配列ＶＯＬ（１）〜ＶＯＬ（ｎ）の値とを総合評価して、今回の点火サイクルにおいて、プレイグが発生したか否かを判定する（ＳＴ１４）。そして、プレイグ発生と判定される場合には、その後にノックが発生する可能性が高いので、そのノックを見落とすことがないよう、ノックセンサ用の判定ウインドを、時間軸の前方側に補正する（ＳＴ１６）。この取得ウインドの始期は、例えば、図２に示すタイミングＴ３に設定される。

その結果、残留磁気ノイズに先行して発生するノック信号についても、ノックセンサが読み落とすことがない。なお、プレイグ発生に続いて非常に高い確率でノックが発生するので、プレイグ発生の認定時には、ノックが発生したと擬制して、その後の燃焼制御を実行するのも好適である。

一方、ステップＳＴ１４の判定によってプレイグが発生していないと結論される場合には、ノックセンサの信号は、通常の判定ウインドにおいて取得される。この場合、判定ウインドの始期は、スイッチング素子ＱのＯＦＦ遷移後に発生する残留磁気ノイズが収束した後におけるイオン検出信号のピーク位置である。また、終期は、イオン検出信号が収束する位置である。始期及び終期とも、内燃機関の運転状態に対応して実験的に確定されており、その時の運転状態に対応する値が選択される。

図５（ｂ）は、イオン検出信号と、ノックセンサの出力波形を例示したものである。図示の通り、プレイグ後にノックセンサの出力振幅が顕著に増加しており、ノックが発生していることが確認される。通常の場合には、残留磁気ノイズが収束した後でないとノックセンサの出力が取得されないので、ノック発生を見落とすことがあるが、本実施例では、常にプレイグを判定しているので、ノック発生を見落とすことがない。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、図５に示すプレイグの検出手法は、単なる一例を説明したに過ぎず、その他の方法を採ってもよいのは勿論である。また、イオン電流検出回路の回路構成についても適宜に変更しても良い。

実施例に係るノック検出装置の構成を示す回路図である。 図１のノック検出装置の動作を説明するタイムチャートである。 スイッチング素子のＯＮ遷移時とその後の異常動作を説明する図面である。 スイッチング素子のＯＦＦ遷移時の動作を説明する図面である。 図１に示すノック検出装置の動作内容を説明するフローチャートである。

符号の説明

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
ＥＣＵ 制御装置
ＳＧ 点火信号
Ｑ スイッチング素子
ＰＧ 点火プラグ
ＩＯＮ イオン電流検出回路
ＳＥ ノックセンサ
ＳＴ１４ 第１手段
ＳＴ１６ 第２手段

Claims (3)

1. 一次コイルと二次コイルとからなる点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御回路と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力するイオン電流検出回路と、内燃機関の適所に配置されて振動を検出するノックセンサと、を有して構成され、
   前記制御回路は、
   スイッチング素子がＯＦＦ遷移動作して所定時間経過後から開始される定常判定ウインドにおけるノックセンサの出力に基づいてノック判定をしてその後の燃焼制御を実行する定常制御手段と、
   前記スイッチング素子のＯＦＦ遷移動作に先行するＯＮ動作時における(1) 前記検出信号が連続して所定レベルを超える継続時間、(2) 連続して所定レベルを超える前記検出信号の積分値、または、(3) 前記検出信号が連続して所定レベルを超える超過回数、の全部又は一部に基づいて、燃焼状態が早期に開始されているか否かを判定する予備判定手段と、
   予備判定手段によって燃焼状態が早期に開始されていると判定される場合には、定常手段を機能させることなく、ノッキングが発生しているものと擬制的に判定してその後の燃焼制御を実行するか、或いは、定常判定ウインドに代えて、ＯＦＦ遷移動作時から開始する特別判定ウインドを適用して、特別判定ウインドにおけるノックセンサの出力に基づいてノック判定をして、その後の燃焼制御を実行する例外制御手段と、
   を設けて構成されていることを特徴とする内燃機関のノック検出装置。
2. 前記予備判定手段は、
   サンプリング周期毎に前記検出信号を取得し、
   この取得データＤＴが所定レベルＴＨを超える場合には、取得番号ｉに対応する記憶領域ＶＯＬ（ｉ）に取得データを加算する一方、取得データＤＴが所定レベルＴＨを超えない場合には、取得番号ｉを増加させている
   請求項１に記載のノック検出装置。
3. 前記予備判定手段は、
   サンプリング周期毎に前記検出信号を取得し、
   この取得データＤＴが所定レベルＴＨを超える場合には、タイマ変数Ｔを増加させる一方、前記タイマ変数Ｔの値を、取得番号ｉに対応する記憶位置ＴＭ（ｉ）に格納して、その後、取得番号ｉを増加させている
   請求項１又は２に記載のノック検出装置。

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