JP5198340B2 - エンジンのノック制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのノッキング（以下、「ノック」と呼ぶ）ノック制御装置に関し、特に、点火時期の遅角を要するノックと遅角を必要としないノックとを見極めることができるエンジンのノック制御装置に関する。

内燃機関つまりエンジンでは、一般に、ノックが生じていると判定したときに点火時期を遅角（リタード）させ、これとは逆に、ノックが生じていないと判断されるときには点火時期を徐々に進角させて点火時期を最適化する点火時期制御が行われている。特許文献１に記載されたノック制御装置は、エンジンに発生する振動をノックセンサで検出し、検出された振動の強度分布に基づいてノック判定レベルを設定し、検出される振動とノック判定レベルとの比較によってノックの発生有無を判定するとともに、前記振動強度が、強度分布について予め推定されている分布から外れたとき、フェール処理を行う手段を有するものである。

また、特許文献２には、ノックセンサの出力信号にはエンジンノイズが含まれることに鑑み、このノイズレベルが平均値を上回ると、これをノックとみなして点火時期をリタードさせる制御を行うノック制御装置において、過度なリタード量での運転を低減するものが提案されている。

特開２００２−１８８５０４号公報 特開平１−１００３７５号公報

エンジンのノックには、連続的に発生するものと、単発的に発生するものとがある。これらのうち、連続的に発生するものに対しては点火時期のリタードして適正化する必要があるが、単発的に、小さい頻度で発生するものに対しては、点火時期をリタードさせないでも、エンジンに対する影響は少ない。

特許文献１、２に記載されているノック制御装置では、ノックの発生頻度に関わらず、振動レベルが所定値より大きい場合はノックが単発であってもノックと判定して点火時期をリタードさせる処理を行う。その際、単発ノックに対する処理後には、すぐさま、点火時期を戻したり、進角させたりする処理も必要である。このような進角やリタードの処理は、制御装置を構成するマイクロコンピュータに余分な負担を強いることになるので、単発のノック判定で、リタードしたり進角したりする処理は少ない方が望ましい。また、逆に振動レベルが小さくてノックと判定されない燃焼の場合であっても、連続的に発生するノックの場合には、エンジン保護の観点から点火時期をリタードした方が良いケースが存在することもある。

本発明の目的は、上記課題に対して、ノックの振動レベルの大小でノックを判定するのではなく、エンジン保護の観点で、経時的な判断を入れてノック燃焼をさせない状態をつくるようにしたエンジンのノック制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、エンジンに取り付けられたノックセンサによる検知データが所定のノック判定値以上かどうかを判定するノック判定手段と、該ノック判定手段によりノッキングが発生していると判断された時に、エンジン出力を低減するエンジン出力低減手段とを備えたエンジンのノック制御装置において、所定時間毎の前記検知データの発生数分布を、該検知データのノックレベル電圧に対応させて検出するデータ分布検出手段を備え、前記ノック判定手段で前記検知データのレベルがノック判定値以上であると判定されたときに、前記検知データの発生数分布に基づいてエンジンの出力低減要否を判定するように構成されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、所定時間内にノックセンサから入力された複数の検知データを、その電圧値に基づいて、段階的に設定した電圧領域に振り分けて前記検知データの電圧値毎の分布を検出するデータ分布検出手段と、前記検知データの分布に基づき、最も多くの検知データが振り分けられた前記電圧領域をピーク領域として検出するピーク領域検出手段と、前記ピーク領域検出手段で検出されたピーク領域に含まれる検知データ数を、前記所定時間内に検知された全データ数で除算して前記ピーク領域内に含まれる検知データ数の割合を算出する割合計算手段と、前記割合計算手段で計算された割合が、リタード判定割合以下の場合に点火リタード指令を出力するリタード判定手段とを具備し、ノックセンサの検知データのレベルが所定のノック判定電圧以上であったときに前記リタード判定手段が付勢されるように構成されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、所定時間内にノックセンサから入力された複数の検知データを、その電圧値に基づいて、段階的に設定した電圧領域に振り分けて前記検知データの電圧値毎の分布を検出するデータ分布検出手段と、前記所定時間内に出力された複数の前記検知データのデータ数の合計値を、前記検知データが振り分けられた電圧領域の数で除算して、検知データ数の平均値を算出する平均手段と、前記平均手段で計算された検知データ数の平均値が、リタード判定平均値以下の場合に点火リタード指令を出力するリタード判定手段とを具備し、ノックセンサの検知データのレベルが所定のノック判定電圧以上であったときに前記リタード判定手段が付勢されるように構成されている点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、所定時間内にノックセンサから入力された複数の記検知データを、その電圧値に基づいて、段階的に設定した電圧領域に振り分けて前記検知データの電圧値毎の分布を検出するデータ分布検出手段と、前記所定時間内に出力された複数の前記検知データのノックレベル電圧の合計を、前記所定時間内に出力された検知データ数で除算して、検知データのノックレベル電圧の平均値を算出する平均手段と、前記平均手段で計算された平均値が、リタード判定平均値以上の場合に点火リタード指令を出力するリタード判定手段とを具備し、ノックセンサの検知データのレベルが所定のノック判定電圧以上であったときに前記リタード判定手段が付勢されるように構成されている点に第４の特徴がある。

第１〜第４の特徴を有する本発明によれば、ノックセンサによる検知データのレベルがノック判定値を超えている場合でも、単発のノックの場合には、直ちに点火時期のリタードは実施されず、さらに、ノックのレベルが判定値未満であても、その発生頻度により点火時期のリタードを行うことができる。つまり、所定時間内にノックセンサで検知されたデータの発生数の分布を調べ、この分布に基づき、検知データの発生頻度が高い中でノック判定されたと判定されたときにだけ、リタード指令を発生して点火時期をリタードさせることができる。

したがって、単発的に高いレベルの検知データが発生してもリタード指令は発生しないので、必要以上に点火時期の変更が行われず、常に最適な点火時期でエンジンを運転可能な状態とすることができる。また、ＣＰＵを含む制御装置の処理負担を軽減することができる。さらに、レベルは低いが高い頻度でノックが発生している状況で、高いレベルのノックの発生が予想される場合にも予め点火時期がリタードされるので、エンジンを良好に保護することができる。

本発明の一実施形態に係るノック制御装置の要部機能を示すブロック図である。 ノックセンサによる検知信号の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るノック制御装置のシステム構成図である。 ノックレベル電圧毎の検知信号の発生数分布を示す図である。 データ分布検出処理のフローチャートである。 リタード判断処理のフローチャートである。 第２実施形態に係る平均値判定のフローチャートである。 第３実施形態に係るノックレベル電圧毎の、検知データの発生数の分布を示す図である。 第３実施形態に係る平均値判定の要部機能を示すブロック図である。

図２は、ノックレベル、つまり後述のノックセンサの出力電圧を所定のサンプリング間隔で検知した実験結果を示す。図２において、横軸には、エンジンのシリンダ内圧力（指圧）の変化量（Δ指圧）、つまり前回値に対する今回値の差（絶対値）をとっている。

同図において、黒丸で示したマークは、例えば、特許文献１に記載された方法によってノック有りと判定されたノックセンサの出力値であり、黒三角で示したマークは同じ方法でノック無しと判定されたノックセンサの出力値である。この図から判るように、ノック有りと判定された検知信号の分布と、ノック無しと判定された検知信号の分布には違いがある。すなわち、ノック有りと判定された検知信号は広く分布しており、ノック無しと判定された検知信号は狭い範囲に限定されている。

そこで、本発明者等は、ノックセンサの出力電圧がノック判定電圧を超えるような大きい値であった場合でも、直ちに点火時期を遅角（リタード）させず、所定時間内にノックセンサで検出した信号の分布状況に基づいて後述のリタード要否判定を行い、その判定結果によってリタードさせるか否かを決定するようにした。以下、実施形態に従って本発明を説明する。

図３は、本実施形態に係るエンジンのノック制御装置のシステム構成図である。図３において、エンジン１は、燃料噴射装置２を有する４サイクル水冷式エンジンである。エンジン１は、クランク軸３の回転数を検知する回転数センサ４と、スロットル弁５の開度を検知するスロットルセンサ６と、水冷ジャケットを有するエンジンシリンダ７の壁外面の、燃焼室８近傍に配置されたノックセンサ９とを備えている。燃焼室８には、点火装置（点火プラグ）１０が設けられる。

エンジン制御装置（ＥＣＵ）１１には、回転数センサ４およびスロットルセンサ６の検知信号を読み込んで燃料噴射装置２による燃料噴射量や点火装置１０による点火時期を計算し、燃料噴射装置２および点火装置１０に指示を与える機能を有する。

ノックセンサ９はシリンダ７の振動強度に応じた電圧信号を検知データとして出力する。ＥＣＵ１１は、所定のサンプリング間隔でノックセンサ９からの検知データを読み込み、ノック判定をし、その結果に基づいて、点火装置１０の点火時期をリタードさせる機能を有する。ＥＣＵ１１は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）１２を備えており、燃料噴射量や点火時期、あるいはノック判定に基づくリタード処理等は、このＣＰＵ１２の機能として実現する。

図４は、所定時間におけるノックセンサ９の検知データ（ノックレベル電圧）の分布の例を示す図であり、横軸はノックレベル電圧を、縦軸は所定時間におけるノックレベル電圧毎の検知データの発生数をそれぞれ示す。同図において、分布Ａでは、ノックレベル電圧の低い領域にだけ検知データが数多く検知され、狭い範囲に検知データが集中している。そして、分布がＢからＣへと移るにつれてノックレベル電圧が高い領域でも検知データが発生され、広い範囲に検知データが分布するようになり、最も多いノックレベル電圧の発生数が、全検知データに占める割合が低下している。つまり分布ＣのピークＰ３は、分布Ａ、Ｂのピーク値Ｐ１、Ｐ２よりも低くなっている。

分布Ａは、図２に示したサンプリングデータのうち、ノック無しと判定されたノックレベル電圧の分布を示し、分布Ｃは、同ノック有りと判定されたノックレベル電圧の分布を示す。また、分布Ｂは、分布Ａ、Ｂの中間的な分布Ｃの例であり、本実施形態では、リタードが不要と判定される分布状態である。

ノック判定値Ｖｋより大きいノックレベル電圧が検知されたときは、一次的にノック発生と判定される。しかし、このようなノックレベル電圧が検知された場合でも、それが、単発的に発生したものである場合は、リタードが必要なノックであるとはみなさない。

そこで、本実施形態では、ノックレベル電圧がノック判定値Ｖｋを超えるものであった場合、所定時間内で検知データが最も多く集中しているノックレベル電圧（後述するピーク領域）を検出し、そのピーク領域に含まれる検知データの発生数の、該所定時間内で検知されたすべての検知データの数に占める割合が、予め設定した割合以下となった場合、例えば、分布Ｃに示すように広い範囲にノックセンサ９の検知データが分布している場合にだけ、リタードが必要なノックレベル電圧が検知されたと判定するようにした。

図１は、ノック制御装置に係るＣＰＵ１２の要部機能を示すブロック図である。図１において、読み込み部１３は、クロックＣＫが入力される毎にノックセンサ９の検知データであるノックレベル電圧（検知データ）を読み込む。読み込まれた検知データは記憶部１４に記憶されるとともに、ノック判定部１５に入力される。記憶部１４は所定個数の検知データを記憶することができ、入力された検知データがこの所定個数になると、最も古い検知データは消去されて新しい検知データで書き換えられる。したがって、記憶部１４には、読み込み周期と記憶データ数とで決定される時間内で読み込まれた検知データが格納される。ノック判定部１５は、ノック判定値Ｖｋと検知データとを比較し、検知データがノック判定値以上であると、ノック検出信号を出力する。

データ分布検出部１６は、記憶部１４に記憶されている検知データを、段階的に設定された複数のノックレベル閾値と比較して、各検知データが、複数のノックレベル閾値で区切られる複数のノックレベル領域のどこに含まれるかを判断する。つまり、ノックレベル領域毎にノックレベル電圧に対応する検知データが振り分けられ、ノックレベル領域毎の検知データの分布が決定される。

ピーク領域検出部１７は、各ノックレベル領域のうち、最も多くの検知データが含まれているノックレベル領域（ピーク領域）を検出する。割合計算部１８では、ピーク領域検出部１７で検出されたピーク領域内の検知データ数、つまり検知データ発生数の最も多いノックレベル領域に含まれる検知データ数ＰＤＮを、記憶部１４に記憶されているすべての検知データ数ＤＮで除算し、ピーク領域データ数割合ＲＡＴＥを計算する。

リタード判定部１９では、ピーク領域データ数割合ＲＡＴＥを所定のリタード判定割合ＲＡＴＥｒｅｆと比較し、ピーク領域データ数割合がリタード判定割合以下の場合（ＲＡＴＥ＜ＲＡＴＥｒｅｆ）にリタード指令を出力する。

リタード指令は点火時期制御部２０に入力され、点火時期制御部２０は、所定の点火角度だけリタードさせた点火信号を点火装置１０に供給する。

図１の構成において、ピーク領域検出部１７、割合計算部１８、およびリタード判定部１９は、ノック判定部１５でノック判定がなされたときに作動させる。しかし、少なくともリタード判定部１９だけをノック判定に応答して作動させるようにし、ピーク領域検出部１７や割合計算部１８は常時作動させていてもよい。

図５は、データ分布検出部１６の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１では、記憶部１４から、記憶されている検知データを一つ読み出す。ステップＳ２では、検知データのノックレベルＬが第１の閾値Ｌ１以下か否かを判定する。ステップＳ２が肯定ならば、ステップＳ３に進んで第１カウンタのカウンタ値Ｃ１をインクリメントする。ステップＳ２が否定ならば、ステップＳ４に進んで検知データのノックレベルＬが第２の閾値Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）以下か否かを判定する。ステップＳ４が肯定ならば、ステップＳ５に進んで第２カウンタのカウンタ値Ｃ２をインクリメントする。ステップＳ４が否定ならば、ステップＳ６に進んで検知データのノックレベルＬが第３の閾値Ｌ３（Ｌ３＞Ｌ２）以下か否かを判定する。

ステップＳ６が肯定ならば、ステップＳ７に進んで第３カウンタのカウンタ値Ｃ３をインクリメントする。ステップＳ６が否定ならば、以下、同様にノックレベルＬをすべての所定閾値と比較して、ステップＳ８では、最後の閾値Ｌｎと検知データのノックレベルＬとを比較する。つまり閾値の数はｎ個である。ステップＳ８の判定が肯定ならばステップＳ９に進んで第ｎカウンタ値Ｃｎをインクリメントする。

ステップＳ８の判定が否定ならば、ステップＳ１０に進んで、記憶部１４内の、すべての検知データのノックレベルを判定したか否かを判断する。記憶部１４の検知データのノックレベルをすべて判定するまでは、ステップＳ１０は否定となってステップＳ１に戻る。記憶部１４の検知データをすべて判定したときに、ステップＳ１０は肯定となり、このフローチャートを抜ける。

図６は、リタード判断の処理を示すフローチャートである。この処理は、ノック判定部１５、ピーク領域検出部１７、割合計算部１８、およびリタード判定部１９の処理に相当する。ステップＳ１１では、ノックセンサ９から読み込んだ検知データのノックレベル電圧がノック判定値Ｖｋ以上か否かを判定する。ステップＳ１１が肯定ならば、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、カウンタ値Ｃ１〜Ｃｎのうち、最大のカウンタ値を抽出し、検知データ数ＰＤＮとする。つまり、複数の閾値で区切られた領域のうち、最も多くの検知データが分布している領域内の検知データ数を決定する。

ステップＳ１３では、検知データ数ＰＤＮを、全ての検知データ数、つまりカウンタ値Ｃ１〜Ｃｎの合計値ＤＮで除算してピーク領域データ数割合ＲＡＴＥを計算する。ステップＳ１４では、ピーク領域データ数割合ＲＡＴＥがリタード判定割合ＲＡＴＥ以下か否かを判断する。ステップＳ１４が肯定ならばステップＳ１５に進んでリタード指令を出力する。ステップＳ１６では、カウンタ値Ｃ１〜Ｃｎをゼロにリセットする。ステップＳ１４が否定の場合は、ステップＳ１５をスキップしてステップＳ１６に進む。

ノックレベル電圧がノック判定値Ｖｋ未満ならば、ステップＳ１２が否定となるので、リタード要否の判断は行わないので、ステップＳ１６に進む。

このように、本実施形態では、検知データが最も集中しているノックレベル領域内の検知データ数の、記憶部１４に格納した全検知データ数に占める割合が所定割合より小さいときに、リタードを要するノックが発生していると判定する。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。図４に示した分布の例から分かるように、ノック有りと判定されている分布は、ノック無しと判定されている分布と比較すると、ピークが下がっていて、かつノックレベル電圧の拡がりが大きいので、分布の平均値も下がっている。したがって、この分布の平均値がノック判定平均値以下になったときにリタード指令を発生させる。

図７は、第２実施形態に係るフローチャートである。ステップＳ２０では、検知データが少なくとも１つ含まれているノックレベル領域の数ＮＮＬを検出する。つまり、前記ステップＳ１〜Ｓ１０の処理と同様の処理を行い、この処理が終了したときにカウンタ値Ｃ１〜Ｃｎのうち「１」以上であるカウンタの数を検出する。領域の数ＮＮＬは、図４に示した分布Ａ、Ｂよりも分布Ｃの方が多い。

ステップＳ２１では、記憶部１４に記憶されている検知データ数Ｄｎ、つまり前記ステップＳ１〜Ｓ１０と同様に処理された検知データの数を、ステップＳ２０で検出されたノックレベル領域数ＮＮＬで除算して平均値ＤAVEを算出する。

ステップＳ２２では、平均値ＤAVEがノック判定平均値ＡＶｒｅｆ以下か否かを判定するステップＳ２２が肯定ならばステップＳ２３に進んでリタード指令を出力する。ステップＳ２４では、カウンタ値Ｃ１〜Ｃｎをゼロにリセットする。ステップＳ２２が否定ならば、ステップＳ２３をスキップしてステップＳ２４に進む。

こうして、図４に示した分布Ｃのようにノックレベル電圧が広い範囲に拡がっている場合は、平均値ＤAVEが低くなるし、図４の分布Ａのように検知データが狭いノックレベル電圧領域に集中している場合は、平均値ＤAVEが高くなるので、平均値ＤAVEの大小に基づいてリタード要否を判定する。

続いて、本発明の第３実施形態を説明する。第２実施形態では、検知データの発生数の平均値に基づいてリタードの要否を判定した。第３実施形態では、平均値をノックレベル電圧の軸方向で算出する。図８を参照して説明する。図８は、ノックレベル電圧毎の、検知データの発生数の分布を示す図であり、図４と同様の図である。この図８において、各分布Ａ、Ｂ、Ｃに関してノックレベル電圧軸方向で計算した平均値は、符号Ａａ、Ｂａ、Ｃａのようになり、ノック無しの分布Ａ、Ｂのノックレベル電圧軸方向の平均値Ａａ、Ｂａよりもノック有りの分布Ｃのノックレベル電圧方向の平均値Ｃａの方が高くなっているのが分かる。

そこで、記憶部１４に記憶された全検知データのノックレベル電圧の平均値を計算し、この平均値がノック判定電圧平均値以上であった場合にリタード指令を出力する。

図９は、第３実施例に係るＣＰＵ１２の機能を示すブロック図である。図７において、電圧合計部２１は、記憶部１４に記憶されているすべての検知データつまりノックレベル電圧値を合計して電圧平均部２２に入力する。電圧平均部２２は、電圧合計部２１から入力された電圧合計値Ｖを、記憶部１４に記憶されている全ての検知データ数ＤＮで除算して検知データのノックレベル電圧平均値Ｖａｖを算出する。

ノック判定基準値記憶部２３には、ノックレベル電圧平均値Ｖａｖを判定するための基準値（リタード判定平均値）Ｖｒｅｆが格納されており、平均値判定部（リタード判定手段）２４では、この基準値Ｖｒｅｆとノックレベル電圧平均値Ｖａｖとを比較し、ノックレベル電圧平均値Ｖａｖが基準値Ｖｒｅｆ以上であれば、リタード指令を出力する。

上述のように、本実施形態によれば、ノック判定値Ｖｋ以上のノックレベル電圧を検知したときに、ノックレベル電圧の分布に基づき、検知された高いノックレベル電圧が突発的に発生しただけのものか、連続した多くのノックレベル電圧の一つであって、連続的にノック発生しやすい状況が生じているのかを判断できる。これによって、不必要なリタード処理をなくすことができる。

１…エンジン、 ７…シリンダ、 ９…ノックセンサ、 １０…点火装置、 １１…ＥＣＵ、 １２…マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、 １５…ノック判定部、 １６…データ分布検出部、 １７…ピーク領域検出部、 １８…割合計算部、 １９…リタード判定部、 ２０…点火時期制御部

Claims (1)

1. エンジンに取り付けられて、エンジンの振動に応じた電圧値を検知データとして出力するノックセンサ（９）と、
   所定時間内にノックセンサ（９）から入力された複数の前記検知データを、その電圧値に基づいて、段階的に設定した電圧領域に振り分けて前記検知データの電圧値毎の分布を検出するデータ分布検出手段（１６）と、
   前記検知データの分布に基づき、最も多くの検知データが振り分けられた前記電圧領域をピーク領域として検出するピーク領域検出手段（１７）と、
   前記ピーク領域検出手段（１７）で検出されたピーク領域に含まれる検知データ数を、前記所定時間内に検知された全データ数で除算して前記ピーク領域内に含まれる検知データ数の割合を算出する割合計算手段（１８）と、
   前記割合計算手段（１８）で計算された割合が、リタード判定割合以下の場合に点火リタード指令を出力するリタード判定手段（１９）とを具備し、
   ノックセンサ（９）の検知データのレベルが所定のノック判定電圧以上であったときに前記リタード判定手段（１９）が付勢されるように構成されていることを特徴とするエンジンのノック制御装置。

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