JP5230304B2 - 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し、特に、点火時期を遅角制御する場合に好適に機能する。

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）。
特開２００１−２０７９０７号公報

特許文献１に記載の発明では、燃焼室に流れるイオン電流の挙動に基づいてノックを検出している。具体的には、イオン電流信号にＢＰＦ（Band Pass Filter）処理を施すことでノック信号を特異的に抽出し、このノック信号が所定レベル以上となる超過時間や超過回数が、基準値より高い場合にはノックが生じていると判定している。

そして、ＢＰＦ処理後のノック信号の判定によってノックが検出された場合には、点火時期を遅らせる遅角制御などの対策を採るのが一般的である。

ところが、遅角制御を実行することによって、正常な燃焼状態をノック状態であると誤認してしまうことがあった。すなわち、例えば、吸入工程→圧縮工程→爆発工程→排気工程を繰り返す四サイクルエンジンの場合、遅角制御によって爆発工程と排気工程とが近接するために、排気弁に向う燃焼ガスなどの影響によって、ノック信号と区別困難な信号を取得してしまうことがあった。

図５は、ノック発生時のイオン電流波形と、ＢＰＦ処理により抽出されたノック信号波形との関係を示しており、放電ノイズ（残留磁気ノイズ）収束後におけるイオン電流のピーク位置の少し手前（＝Ｔ０）から、予め設定されている処理終了時（＝Ｔ１）までのイオン電流信号にＢＰＦ処理を施している。

図示の通り、本来のノック信号の後段に、同程度の周波数の擬似ノック信号が発生することがある。そのため、例えばノック解消のために遅角制御を実行したような場合に、正常な燃焼状態に復帰したにも拘らず、これをノック状態であると誤認してしまい、その後の燃焼制御に重大な支障を与えるおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、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が課題とする。

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動作させる制御装置と、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、を有して構成され、前記制御装置は、前記スイッチング素子がＯＦＦ状態における前記検出信号のレベルが、最低時間以上継続して第１閾値以上であるか否かを判定する第１手段と、第１手段によって最低時間以上継続して第１閾値ＴＨ１以上であると判定される前記検出信号について、その検出信号が確実に収束するとして予め実験的に確定されている終了タイミングＬＭＴに至るまでに、そのレベルが第２閾値ＴＨ２を下回るか否かを判定する第２手段と、第２手段によって、終了タイミングＬＭＴに至るまでに、第２閾値を下回るタイミングが検出される場合には、その検出タイミングＢＴＭまでの前記検出信号に基づいてノッキング判定をする一方、検出されない場合には前記終了タイミングＬＭＴまでの前記検出信号に基づいてノッキング判定をする第３手段と、を設け、前記第１手段〜第３手段は、内燃機関を点火時期制御する場合に機能するよう構成されている。

本発明において、前記最低時間は、好ましくは、点火プラグ放電後に生じる残留磁気ノイズのノイズ周期より、有意に長く設定されている。

前記第３手段は、前記検出信号にＢＰＦ処理を施して抽出される信号に基づいてノッキング判定を実行するのが典型的である。この場合、前記第２手段が機能している状態で、前記検出信号のピーク位置を検出する手段を設けると共に、前記ＢＰＦ処理は、ほぼ前記ピーク位置から開始され、前記検出タイミング又は前記終了タイミングで終了するよう構成するのが好適である。

前記第１手段及び第２手段は、必要な検出信号を全て取得した後のバッチ処理として実行されてもよいが、検出信号の取得動作に連続してリアルタイムに実行されるのが簡易的である。

上記した本発明によれば、遅角制御を実行したような場合でも、ノック誤判定を防止することができる。

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、正確なノック検出機能を発揮するノック検出装置ＩＧＮを示す回路図であり、図２は、ノック検出装置ＩＧＮ各部の概略波形を示すタイムチャートである。

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ｉｃ１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、イオン電流検出回路ＩＯＮと、を中心に構成されている。

そして、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、ＥＣＵのＡ／Ｄコンバータ（不図示）に供給され、デジタルデータとしてＥＣＵのメモリに記憶される。すなわち、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、ノック判定のために、切出しウインドＷＩＮの全区間について、点火サイクル毎にＥＣＵに取得される。なお、ここでは、点火プラグＰＧの放電直後を、切出しウインドＷＩＮの始期としているが、特に限定されるものではない。一方、切出しウインドＷＩＮの終期については、点火サイクル毎に自動的に設定される。

以下、回路構成について詳述すると、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。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のアノード端子は、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。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。なお、ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成のノック検出装置ＩＧＮでは、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに変化すると、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、イオン電流検出回路ＩＯＮの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流iに比例した値となる。

図３は、ノック判定に関するＥＣＵの処理内容を示すフローチャートであり、第１実施例のノック判定方法を示している。特に限定されるものではないが、このノック判定方法は、内燃機関の遅角制御時に使用される。また、第１実施例では、切出しウインドＷＩＮの全区間のデータを取得した後に、ノック信号を抽出するためのＢＰＦ処理の処理区間を決定している。

具体的には、第１閾値ＴＨ１と最低時間ＷＤＴとに基づいて、本来のイオン電流信号Ｖｏを抽出すると共に、第２閾値ＴＨ２に基づいて、ノック判定用のＢＰＦ区間の周期を特定している。図３（ｂ）に示す通り、この実施例では、ノック判定用のＢＰＦ区間の終期が、ＢＴＭの位置であると自動的に特定される。なお、特に限定されるものではないが、ノック判定用のＢＰＦ区間の始期は、イオン電流信号Ｖｏのピーク位置ＴＯＰの少し手前に設定される。

以下、具体的に説明すると、ＥＣＵは、点火サイクル毎に、切出しウインドＷＩＮの全区間についてＯＰアンプＡＭＰの出力信号Ｖｏ（イオン電流信号Ｖｏ）を、ＡＤ変換してメモリに記憶する（ＳＴ１）。この実施例では、サンプリング周波数を、コロナノイズの周波数域の２倍以上である３０ｋＨｚとしている。以下、取得データをＤＴ（ｉ）で表現するが、サンプリング周波数が３０ｋＨｚであることから、取得データＤＴ（ｉ）を特定する配列変数ｉは、１／３０ｍＳ毎に推移する。

ステップＳＴ１の処理によって全てのデータが配列ＤＴ（ｉ）に取得されると、配列変数ｉをゼロに初期設定すると共に、イオン電流信号Ｖｏのピーク位置ＴＯＰを特定するための最大値変数ＭＡＸを、ゼロに初期設定する（ＳＴ２）。また、タイマ変数Ｔをゼロに初期設定する（ＳＴ３）。なお、タイマ変数Ｔは、イオン電流信号Ｖｏが連続して第１閾値ＴＨ１を超える経過時間を計測する用途に使用される。

以上の初期設定処理が終われば、配列変数ｉをインクリメントした後（ＳＴ４）、ｉ番目の取得データＤＴ（ｉ）が、第１閾値ＴＨ１を超えているか否かを判定する（ＳＴ５）。第１閾値ＴＨ１は、有意なイオン電流信号Ｖｏを抽出するための閾値であり、運転状態に対応して予め実験的に決定されている。そして、ＤＴ（ｉ）＜ＴＨ１となる微弱レベルのデータが検出された場合には、ステップＳＴ３に戻って、次のデータについて同様の判定を行う。

一方、ＤＴ（ｉ）≧ＴＨ１であって、有意レベルのデータが検出されると、このデータＤＴ（ｉ）を、そのときの最大値ＭＡＸと比較する（ＳＴ６）。そして、ＤＴ（ｉ）＞ＭＡＸの場合には、最大値ＭＡＸを、ＤＴ（ｉ）の値に書き直すと共に、そのときの配列変数ｉの値を変数ＴＯＰに格納する（ＳＴ７）。変数ＴＯＰは、イオン電流信号Ｖｏのピーク位置を特定するための変数である（図３（ｂ）参照）。

ステップＳＴ６の処理において、ＤＴ（ｉ）≦ＭＡＸであると判定されるか、ステップＳＴ７の処理が実行されると、次に、タイマ変数Ｔがインクリメントされる（ＳＴ８）。このタイマ変数Ｔは、点火プラグの放電直後に発生する残留磁気ノイズ（放電ノイズ）を排除して、その後に生じるイオン電流信号Ｖｏだけを抽出するための変数である。残留磁気ノイズは、図示の通り、本来のイオン電流信号Ｖｏとは顕著に相違して、高い周波数で振動するので、最低時間ＷＤＴを超えて、閾値ＴＨ１を連続して上回ることはない。

そこで、ステップＳＴ８の処理によってインクリメントされた後のタイマ変数Ｔが最低時間ＷＤＴを超えない限り、次の処理に移行することなく、ステップＳＴ４の処理に戻るよう構成されている（ＳＴ９）。

このようにして、ステップＳＴ４〜ＳＴ９の処理を繰り返していると、配列変数ｉが増加することにより（ＳＴ４）、残留磁気ノイズが収束した後の、本来のイオン電流信号Ｖｏである有意レベルの取得データＤＴ（ｉ）となる。そして、ＤＴ（ｉ）≧ＴＨ１の条件を連続して満たすため、タイマ変数Ｔがインクリメントされて（ＳＴ８）、タイマ変数Ｔが最低時間ＷＤＴ以上となると（Ｔ≧ＷＤＴ）、次に、取得データＤＴ（ｉ）が第２閾値ＴＨ２を下回るか否かを判定する（ＳＴ１０）。ここで、第２閾値ＴＨ２は、イオン電流信号Ｖｏから、擬似イオン電流信号を排除するための閾値である。この実施例では、２つの閾値ＴＨ１，ＴＨ２は、ＴＨ２＜ＴＨ１であって、ＴＨ２≒ＴＨ１に設定されており、取得データＤＴ（ｉ）が第２閾値ＴＨ２を下回ると、本来のイオン電流信号Ｖｏが収束したと判定している。

すなわち、ステップＳＴ１０の判定において、ＤＴ（ｉ）＜ＴＨ２の条件が成立すると、その時の配列変数ｉを、変数ＢＴＭに代入している（ＳＴ１２）。その結果、ステップＳＴ１２の処理を経た変数ＢＴＭによって、ノック判定用のＢＰＦ区間の終期位置を特定されることになる。

一方、ステップＳＴ１０の判定において、ＤＴ（ｉ）≧ＴＨ２となる場合には、配列変数ｉが限界値ＬＭＴと比較される（ＳＴ１１）。ここで、限界値ＬＭＴには、イオン電流信号Ｖｏが確実に収束すると思われる終了タイミングが規定されており、この終了タイミングは、燃焼状態に応じて予め実験的に確定されている。

そして、配列変数ｉが限界値ＬＭＴより小さい限り、ステップＳＴ４〜ＳＴ１０の処理を繰り返す。したがって、配列変数ｉが、限界値ＬＭＴに達するまでに、ＤＴ（ｉ）＜ＴＨ２の条件が成立すると、その時の配列変数ｉが変数ＢＴＭに代入されるが、一方、ＤＴ（ｉ）＜ＴＨ２の条件が成立しないまま、配列変数ｉが限界値ＬＭＴに達すると、限界値ＬＭＴが変数ＢＴＭに代入されることになる。

このようにして、変数ＢＴＭに適宜な数値が代入されると（ＳＴ１２）、次に、ノック信号抽出用のＢＰＦ処理が実行される（ＳＴ１３）。ＢＰＦ処理は、例えば、５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度の帯域を通過域とするデジタルフィルタ処理として実行される。その処理範囲は、イオン電流信号のピーク位置の少し手前（ｉ＝ＴＯＰ−Δ）から、ステップＳＴ１２の処理で特定される位置（ｉ＝ＢＭＴ）までである。なお、Δは、安全のための処理マージンであり、原理的にはΔ＝０として良い。

何れにしても、ステップＳＴ１２のＢＰＦ処理によって、所定帯域の信号が抽出されるので、抽出された信号のレベルや、その積分値に基づいて、ノック判定がされる（ＳＴ３６）。本実施例では、イオン電流信号Ｖｏが収束したと思われる位置が自動的に特定され、それ以降のデータについてはノック判定に利用されないので、遅角制御時でも、ノックの誤検出をすることがない。

以上、第１実施例では、全てのデータを取得した後に、ＢＰＦ処理の処理範囲を決定したが、このような動作に限定されるものではなく、例えば、データを取得しつつリアルタイムにＢＰＦ処理の処理範囲を決定するのも好適である。

図４は、第２実施例のノック判定方法を示しており、ノック信号を抽出するためのＢＰＦ処理の処理区間を、リアルタイムに決定している。なお、図４の処理は、例えば、点火パルスＳＧがＨレベルからＬレベルに降下するタイミングに同期して開始される。

そして、最初に、変数ＭＡＸをゼロに初期設定し（ＳＴ２１）、次に、配列変数ｉとタイマ変数Ｔとをゼロに初期設定する（ＳＴ２２）。その後、サンプルタイミングに達するのを待つ（ＳＴ２３）。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。

その後、サンプル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（ＳＴ２４）、開始されたＡＤ変換処理が終わるのを待つ（ＳＴ２５）。そして、ＡＤ変換の終了が確認されると、配列変数ｉをインクリメントすると共に、ＡＤ変換されたデータを配列ＤＴ（ｉ）に格納する（ＳＴ２６）。

次に、格納データＤＴ（ｉ）が、第１閾値ＴＨ１と対比され（ＳＴ２７）、格納データＤＴ（ｉ）が、第１閾値ＴＨ１より小さい場合には（ＤＴ（ｉ）＜ＴＨ１）、ステップＳＴ２２の処理に戻る。その結果、配列変数ｉが、再度、初期設定されるので（ＳＴ２２）、その後に取得されるデータも同じ配列位置ＤＴ（ｉ）に上書きされることになる。つまり、この実施例では、第１閾値ＴＨ１を超えるまでのデータは自動的に消去される。

その後、ＤＴ（ｉ）≧ＴＨ１となるデータが取得されると、これが変数ＭＡＸと対比され、ＤＴ（ｉ）＞ＭＡＸであれば、変数ＭＡＸがＤＴ（ｉ）に書き直されると共に、変数ＴＯＰに、その時の配列変数ｉが格納される（ＳＴ２９）。第１実施例の場合と同様、変数ＴＯＰは、イオン電流信号Ｖｏのピーク位置を検出するために使用される。

その後の処理も第１実施例の場合と類似しており、タイマ変数Ｔをインクリメントして、インクリメント後のタイマ変数Ｔが最低時間ＷＤＴと対比される（ＳＴ３０，ＳＴ３１）。ここで、Ｔ＜ＷＤＴの場合には、ステップＳＴ２３の処理に戻る。その結果、タイマ変数Ｔが最低時間ＷＤＴに一致するまで、次々とイオン電流信号ＶｏがＡＤ変換されて、配列ＤＴ（ｉ）に格納される。

このような処理を繰り返し、Ｔ≧ＷＤＴとなれば、次に、取得データＤＴ（ｉ）が第２閾値ＴＨ２を下回るか、配列変数ｉが限界値ＬＭＴに達するのを待つ（ＳＴ３２、ＳＴ３３）。そして、上記何れかの条件が満たされると、その時の配列変数ｉの値が、変数ＢＴＭに格納される（ＳＴ３４）。この結果、ノック信号を抽出するためのＢＰＦ処理の処理区間の終期ＢＴＭが、リアルタイムに自動決定されることになる。

その後の処理は、第１実施例と全く同じであり、ＢＰＦ処理後のデータに基づいて正確なノック判定が可能となる。

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、イオン電流検出回路は、最も簡易な回路構成を例示したに過ぎず、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

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。 第１実施例の動作内容を説明するフローチャートとタイムチャートである。 第２実施例の動作内容を説明するフローチャートとタイムチャートである。 従来技術の問題点を説明するタイムチャートである。

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
Ｖｏ 検出信号
ＴＨ１ 第１閾値
ＴＨ２ 第２閾値
ＷＤＴ 最低時間
ＬＭＴ 終了タイミング
ＳＴ５ 第１手段
ＳＴ１０ 第２手段
ＳＴ１３ 第３手段
ＳＴ１４ 第３手段

Claims (5)

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動作させる制御装置と、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、を有して構成され、
   前記制御装置は、
   前記スイッチング素子がＯＦＦ状態における前記検出信号のレベルが、最低時間以上継続して第１閾値以上であるか否かを判定する第１手段と、
   第１手段によって最低時間以上継続して第１閾値ＴＨ１以上であると判定される前記検出信号について、その検出信号が確実に収束するとして予め実験的に確定されている終了タイミングＬＭＴに至るまでに、そのレベルが第２閾値ＴＨ２を下回るか否かを判定する第２手段と、
   第２手段によって、終了タイミングＬＭＴに至るまでに、第２閾値を下回るタイミングが検出される場合には、その検出タイミングＢＴＭまでの前記検出信号に基づいてノッキング判定をする一方、検出されない場合には前記終了タイミングＬＭＴまでの前記検出信号に基づいてノッキング判定をする第３手段と、を設け、前記第１手段〜第３手段は、内燃機関を点火時期制御する場合に機能するよう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. 前記最低時間は、点火プラグ放電後に生じる残留磁気ノイズのノイズ周期より、有意に長く設定されている請求項１に記載のノック検出装置。
3. 前記第３手段は、前記検出信号にＢＰＦ処理を施して抽出される信号に基づいてノッキング判定を実行する請求項１又は２に記載のノック検出装置。
4. 前記第２手段が機能している状態で、前記検出信号のピーク位置を検出する手段を設けると共に、
   前記ＢＰＦ処理は、ほぼ前記ピーク位置から開始され、前記検出タイミング又は前記終了タイミングで終了するよう構成された請求項３に記載のノック検出装置。
5. 前記第１手段及び第２手段は、前記検出信号の取得動作に連続してリアルタイムに実行される請求項１〜４の何れかに記載のノック検出装置。

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