JP5453688B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に発生するイオン信号に基づいてノックの発生を判定して、適切な運転を実現する燃焼制御装置に関する。

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、ノック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して、適切な燃焼制御を実行する必要がある。

ところで、内燃機関の燃焼室に発生するイオン電流は、点火放電後の放電ノイズの収束後に第一ピークを示し、上死点ＴＤＣの手前で減少した後に再び増加し、燃焼圧が最大となるクランク角の近傍で最大となって第二ピークを示すのが一般的である。図８は、この関係を図示したものであり、筒内圧が最大値Ｐｍａｘとなる位置と、イオン電流の第二ピーク位置とがほぼ一致している。

そして、この第二ピークの位置より後半のイオン電流波形を解析することで、ノッキングの発生を検出できることが知られている。そこで、本出願人は、ノイズ成分を排除してノック信号だけを特異的に抽出する手法について、各種の提案をしている（特許文献１〜特許文献３）。

特開２００７−２７０８３０号公報 特開２００７−２３９６９１号公報 特開２００７−２３９５１８号公報

しかしながら、正常燃焼時と全く同一の運転条件でも、時として、ノック信号と同じ周波数域において同様の挙動を示す定在波が発生することがあり、これらの成分を、本来のノック信号と区別できる手法としては、未だ完全とは言えない。

そして、ノック信号を見落とすことが許されない一方で、逆に、定在波をノック信号と誤認したのでは、その後、内燃機関がノック回避の燃焼制御に移行することで十分な運転性能を発揮できない弊害が生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、同じ周波数域において同様の挙動を示す定在波成分を、本来の検出対象であるノック信号と峻別して、適切な燃焼制御を実現できる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者は、各種の実験を繰返した。特に、打撃音が発生しない正常燃焼時における正常なイオン信号（第１グループ）、打撃音が発生しない正常燃焼時において定在波が重畳したイオン信号（第２グループ）、及び、検出対象のノック信号が重畳したノック発生時のイオン信号（第３グループ）、の各イオン信号波形について、ウェーブレット解析を繰返した。

その結果、ノック信号の周波数帯域を通過させるＢＰＦ（ｂａｎｄ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）で処理しただけでは、第２グループと第３グループのイオン信号を峻別できないものの、ＢＰＦ処理後の信号の包落線に着目すると、第２グループと第３グループのイオン信号を峻別できることを見出して本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係る燃焼制御装置は、内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号を取得する信号取得部と、取得されたイオン信号から、ノック信号の周波数帯域の信号を抽出する一次フィルタ部と、一次フィルタ部で抽出された一次処理信号の包落線に対応する包絡信号から、所定の周波数帯域の評価信号を抽出する二次フィルタ部と、二次フィルタ部で抽出された前記評価信号に基づいて、ノック発生の有無を評価する判定部と、を有して構成される。

本発明は、ハードウェア構成であってもソフトウェア構成であっても良いが、ハードウェア構成を採ると、フィルタ処理やその他の処理がリアルタイムに実現できる利点があり、ソフトウェア構成を採ると、回路構成が簡略化される上に、精密な処理が実現される利点がある。

図１（ａ）は、ハードウェア構成の実施態様を例示したものであり、信号取得部１と、一次フィルタ部２と、包絡信号生成部３と、二次フィルタ部４と、判定信号生成部５と、判定部６とで構成されている。ここで、包絡信号生成部３や判定信号生成部５は、例えば、包絡線検波回路で構成され、判定部６は、例えば、積分回路とコンパレータとで構成される。また、信号取得部１としては、実施例に例示するようなイオン電流検出回路が使用され、ハードウェア構成の一次フィルタや二次フィルタとしては、好ましくは、アクティブフィルタ回路が採用される。

但し、必ずしも、全ての構成要素をハードウェア構成とする必要はなく、構成要素の一部をソフトウェア処理によって実現しても良いのは勿論であり、その場合には、ソフトウェア処理に先行してＡＤ変換部が配置される。例えば、二次フィルタ部４をデジタルフィルタその他のソフトウェア構成とすると共に、判定部６の積分回路を、これと同等の機能を発揮する積和演算で代用しても良く、そのような場合には、包絡信号生成部３の下流側にＡＤ変換部が配置される。

一方、図１（ｂ）は、ソフトウェア構成の実施態様を例示したものであり、信号取得部１’と、一次フィルタ部２’と、包絡信号生成部３’と、二次フィルタ部４’と、判定信号生成部５’と、判定部６’とで構成されている。この場合も、必ずしも、全ての構成要素をソフトウェア構成とする必要はないが、全ての構成要素をソフトウェア構成とする場合には、信号取得部１の前段に、イオン信号をデジタル変換するＡＤ変換部が配置される。

図１（ａ）又は図１（ｂ）の何れの構成を採る場合にも、本発明の一次フィルタ部２，２’では、ノック信号の周波数帯域の信号を抽出する必要があるので、一次フィルタ部２，２’は、予め実験的に特定されるノック信号の周波数（通常は５〜１０ｋＨｚ程度）を通過域とするＢＰＦとされる。

そして、ＢＰＦ特性を有する一次フィルタ部２，２’から出力される一次処理信号は、包絡信号生成部３において、一次処理信号の包絡線に対応する包絡信号に成形される。本発明者の研究結果によれば、一次処理信号の包絡線には、ノック発生時だけ特異的な信号（本明細書では、評価信号と称する）が重畳することが確認されている。この評価信号の周波数は、予めウェーブレット解析などによって特定されるが、通常の内燃機関では、１．０ｋＨｚ〜２．５ｋＨｚの範囲内の周波数帯域を有している。したがって、後述する実施例では、二次フィルタ部４，４’として、１．６ｋＨｚ〜２．２ｋＨｚの周波数帯域を通過域とするＢＰＦを採用している。

図１（ｂ）の構成の場合、一次フィルタ部２’や二次フィルタ部４’は、通常のデジタルフィルタであっても良いが、好ましくは、適宜に周波数設計されたウェーブレットと、被処理信号（イオン信号や判定信号）との畳み込み演算によって実現される。

より好ましくは、一次フィルタ部２’では、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ），Ｈ_Ｉｍ（ｊ）と、イオン信号Ｆ（ｋ）に対して、（式１ａ）（式１ｂ）の演算が実行される。

Ｘ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ａ）
Ｙ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ｂ）
なお、（式１ａ）及び（式１ｂ）では下記（１）〜（４）が成立する。
（１）バンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）において、
サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌに対して、
整数値ｉ＝Ｌ＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ−１）
（２）抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）において、
整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ／２−１）
（３）（式１ａ）（式１ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ−１
（４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲

一次フィルタ部２’について上記した点は、二次フィルタ部４’についても同様であり、好ましくは、二次フィルタ部４’では、所定の周波数帯域のバンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数Ｈ_Ｒｅ’（ｊ），Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）と、包絡信号ＳＧ１（ｋ）に対して、
（式２ａ）（式２ｂ）の畳み込み演算が実行される。

Ｘ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ａ）
Ｙ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ｂ）
なお、（式２ａ）及び（式２ｂ）では下記（１）〜（４）が成立する。
（１）バンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）において、
サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌ’に対して、
整数値ｉ＝Ｌ’＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’−１）
（２）抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）において、
整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’／２−１）
（３）（式２ａ）（式２ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ’−１
（４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ’／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ’／２＋ｎまでの整数範囲

本発明の包絡信号ＳＧ１（ｎ）は、一次処理信号の包落線に対応する形状を有するものであれば、特に限定されないが、好ましくは、一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）と、虚数出力Ｙ１（ｎ）の二乗和の平方根であって、ＳＧ１（ｎ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ１^２（ｎ）＋Ｙ１^２（ｎ））で与えられる。或いは、演算量を抑制する趣旨から、本発明の包絡信号は、一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）または虚数出力Ｙ１（ｎ）に対する絶対値ＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｘ１（ｎ））又はＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｙ１（ｎ））で与えられるのも好適である。

また、本発明の評価信号ＳＧ２は、燃焼室の点火プラグがｔ＝０で点火放電してから所定時間（通常は２ｍＳ程度）経過した後に発生することが確認されている。したがって、少なくとも、点火放電の終了直後のＬＣ振動波を排除して一次フィルタ部２，２’を機能させるのが好ましい。そのため、点火放電の終了直後のＬＣ振動波（放電ノイズ）をゼロレベルに抑制すると共に、評価信号を評価する評価区間［ａ，ｂ］の開始点ａに向けて信号レベルを漸増させるべく、信号取得部１で取得したイオン信号に、適宜な窓関数（ハニング窓やハミング窓）を利用した補正関数を作用させるのが好ましい。

何れにしても、判定部６，６’は、イオン信号の第二ピーク位置を包含する評価区間［ａ，ｂ］について、評価信号ＳＧ２を判定するのが好ましい。評価区間［ａ，ｂ］の始点ａは、好適には、第二イオンピーク位置ＴＯＰの少し手前であって、ＴＯＰ−δに設定される。ここで、付加時間δは、好ましくは、０．１ｍＳ〜０．６ｍＳ程度の値に設定される。

ところで、内燃機関の燃焼状態は、点火動作毎に変動するので、好適には、点火サイクル毎に第二ピーク位置ＴＯＰを特定すべきである。この場合、放電ノイズ区間後のイオン信号を評価して、そのレベルが最低となる最深点を特定するのが好ましい。また、最深点の後方側であって、最初に傾きゼロとなる頂点位置か、最大値を示す頂点位置を、第二ピーク位置ＴＯＰと特定するのが好適である。

なお、放電ノイズ区間か否かは、好適には、ＬＣ振動波の周波数が、イオン信号の周波数より顕著に高いことに基づいて判定される。但し、放電ノイ区間は、運転条件に基づいて、ほぼ特定できるので、運転条件毎に放電ノイズ区間を予め特定しておいても良い。この場合、運転条件は、エンジン回転数、エンジン吸気管圧力などによって特定される。

上記した本発明によれば、同じ周波数域において同様の挙動を示す定在波成分を、検出対象のノック信号と峻別できるので、適切な燃焼制御を実現することができる。

本発明のクレイム対応図である。 実施例に係る燃焼制御装置を示す回路図である。 コンピュータ回路における処理内容を説明するフローチャートである。 イオン信号波形を例示したものである。 抽出関数の導出過程を説明する図面である。 逆フーリエ変換を説明する図面である。 補正区間と、窓関数と、窓関数による演算後のイオン信号を図示したものである。 イオン電流の二次ピークを説明する図面である。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図２は、実施例に係る燃焼制御装置ＥＱＵの回路図であり、ソフトウェア構成（図１（ｂ）参照）による装置構成を示している。

図２に示す通り、この燃焼制御装置ＥＱＵは、イオン信号Ｖｏを出力するイオン電流検出回路ＩＯＮと、イオン信号Ｖｏをデジタル変換するＡＤ変換部１４と、ＡＤ変換部１４の出力データを受けてノック判定をするコンピュータ回路１５と、点火パルスＩＧＮを出力すると共に、コンピュータ回路１５からノック判定結果を受けるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を中心に構成されている。

そして、この回路構成では、図１（ｂ）に示す一次フィルタ部２’、包絡信号生成部３’、二次フィルタ部４’、判定信号生成部５’、及び判定部６’の全てが、コンピュータ回路１５において実現され、信号取得部１’は、イオン電流検出回路ＩＯＮとＡＤ変換部１４とで構成されている。なお、ＡＤ変換部１４は、サンプル＆ホールド機能を有しており、コンピュータ回路１５は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を構成要素にしている。

イオン電流検出回路ＩＯＮは、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火トランスＣＬと、点火パルスＩＧＮ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、信号検出部ＤＥＴと、を中心に構成されている。

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。

信号検出部ＤＥＴ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、出力端子とグランド間には、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。

上記した構成のイオン電流検出回路ＩＯＮでは、点火パルスＩＧＮ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、コンピュータ回路１５において実現されるソフトウェア処理を示すフローチャートである。コンピュータ回路１５では、点火サイクル毎に、点火放電から所定時間のイオン信号Ｄｉを取得して記憶する（ＳＴ１）。特に限定されないが、この実施例では、サンプリング周波数ｆｓを３０ｋＨｚとし、点火開始（ｔ＝０）からｔ＝５ｍＳまでのイオン信号Ｄｉを取得している。

図４は、打撃音が発生しない正常燃焼時における正常なイオン信号（ａ）と、同様の正常燃焼時において定在波が重畳したイオン信号（ｂ）と、ノック信号が重畳したノック時のイオン信号（ｃ）と、を示している。図４（ｃ）に示す通り、ノック信号は、２ｍＳ〜４ｍＳ程度の区間に出現するが、同様の振動波が図４（ｂ）にも現れるので、両者を峻別することは容易ではない。なお、この実施例では、点火開始タイミングｔ＝０は、点火パルスＳＧの立下り時であり、その後、ｔ＝０．７ｍＳ程度までの区間は、点火放電が継続されるので、イオン信号が検出されない。

その後、イオン信号が検出されるが、点火放電の終了直後に出現する振動波の影響を排除して、その後の一次フィルタ処理を実行するのが好ましい。そのため、本実施例では、取得したイオン信号Ｄ（ｉ）に、ハニング窓を利用した補正関数Ｗ（ｉ）を作用させて、Ｆ（ｉ）←Ｄ（ｉ）＊Ｗ（ｉ）の演算を実行している（ＳＴ２）。

ここで、補正関数Ｗ（ｉ）は、ｉｓ＜ｉ≦ｉｅの区間では、
Ｗ（ｉ）＝０．５−０．５＊ＣＯＳ［π＊（ｉ−ｉｓ）／｛（ｉｅ−ｉｓ）｝］であり、その他の区間ではＷ（ｉ）＝０である。

上式において、ｉ＝ｉｓ＋１〜ｉｅであり（ｉｓ＜ｉ≦ｉｅ）、ｉｓ及びｉｅは、補正開始タイミングｔｓと、補正終了タイミングｔｅと、サンプリング周波数ｆｓ（＝３０ｋＨｚ）とに対応して、ｉｓ≦ｆｓ＊ｔｓや、ｉｅ≦ｆｓ＊ｔｅの条件を満たす最大の整数値となる。

補正開始タイミングｔｓは、イオン信号Ｄ（ｉ）の二次ピーク位置ＴＯＰの手前に存在する信号最深部に設定するのが好適である。また、補正終了タイミングｔｅは、二次ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前（ＴＯＰ−δ）に設定するのが好適である。

また、補正終了タイミングｔｅを規定する付加時間δは、内燃機関の運転条件に対応して個々的に規定するのが理想的であるが、通常は、０．１ｍＳ〜０．６ｍＳの範囲で最適値が実験的に確定される。但し、補正終了タイミングｔｅを、補正開始タイミング（信号最深点）ｔｓに対応して、ｔｓ＋Ｔに設定しても良く、この場合には、補正区間［ｔｅ，ｔｓ］が固定的な時間幅Ｔとなる。

また、付加時間δを、補正開始タイミング（信号最深点）Ｔｓと、二次ピーク位置ＴＯＰに基づいて決定しても良い。この場合には、付加時間δは、例えば、δ＝（ＴＯＰ−Ｔｓ）／２に決定される。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、付加時間δ＝０．３ｍＳに設定した補正区間［ｔｓ，ｔｅ］と、補正関数たる窓関数Ｗ（ｉ）と、窓関数Ｗ（ｉ）を作用させた補正演算後のイオン信号Ｆ（ｉ）とを図示したものである。

なお、上記の実施例では、Ｆ（ｉ）←Ｄ（ｉ）＊Ｗ（ｉ）の演算を実行したが、補正区間［ｔｓ，ｔｅ］のデータを、補正終了タイミングｔｅの接線で直線補完した上で、直線補完後のイオン信号Ｄ（ｉ）’に窓関数を作用させるのも好適である。図７（ｄ）は、補正終了タイミングｔｅにおける接線を破線で示している。

以上のような補正演算が終われば、補正後のイオン信号Ｆ（ｉ）に、ＢＰＦ１による一次フィルタ処理を施す（ＳＴ３）。なお、ＢＰＦ１の通過帯域は、予め実験的に特定されるノック周波数に対応して決定されるが、この実施例では、５．８〜７．６ｋＨｚの通過帯域に設定している。

また、この実施例では、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）及び虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）と、補正後のイオン信号Ｆ（ｋ）との畳み込み演算によってＢＰＦ処理を実行している。具体的には、
Ｘ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ａ）
Ｙ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ｂ）
の一次フィルタ処理を実行してｎ＝０，１，２，・・・・，Ｎ−１の一次処理信号Ｘ１（０）・・・Ｘ１（Ｎ−１）と、Ｙ１（０）・・・Ｙ１（Ｎ−１）を得ている。

ここで、（式１ａ）（式１ｂ）におけるΣの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲である。なお、（式１ａ）（式１ｂ）では、バンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）において、サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌに対して、整数値ｉ＝Ｌ＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ−１）である。また、抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）において、整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ／２−１）である。

ここで、一次処理信号Ｘ１（ｎ），Ｙ１（ｎ）について、具体的に確認すると、
Ｘ１（０）＝Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２−１）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（０）、
Ｘ１（１）＝Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋１）＊Ｈ_Ｒｅ（０）、
・
・
・
Ｘ１（Ｎ−１）＝Ｆ（Ｎ−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−１）＋Ｆ（Ｎ＋１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｒｅ（Ｌ／２＋Ｎ−２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＊Ｈ_Ｒｅ（０）となる。

また、Ｙ１（０）＝Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２−１）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（０）、
Ｙ１（１）＝Ｆ（２−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋１）＊Ｈ_Ｉｍ（０）、
・
・
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Ｙ１（Ｎ−１）＝Ｆ（Ｎ−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−１）＋Ｆ（Ｎ＋１−Ｌ／２）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ−２）＋・・・＋Ｆ（０）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＋Ｆ（１）＊Ｈ_Ｉｍ（Ｌ／２＋Ｎ−２）＋・・・＋Ｆ（Ｌ／２＋Ｎ−１）＊Ｈ_Ｉｍ（０）となる。

本実施例では、前記した通り、所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ（ｊ）を利用してＢＰＦ処理を実行するが、図５は、抽出関数Ｈ（ｊ）の生成手順を説明する図面である。便宜上、以下では、変数ｉを変数ｎに変えて説明する。

本実施例では、先ず、ＢＰＦの周波数特性Ψ（ｎ）を以下の通りに決定した。
過渡領域ｎ＜ｎ_ｓａｒｔでは、Ψ（ｎ）＝ＥＸＰ｛−（ｎ−ｎ_ｓａｒｔ）^２／２＊σ^２｝
通過領域ｎ_ｓａｒｔ≦ｎ≦ｎ_ｅｎｄでは、Ψ（ｎ）＝１
減衰領域ｎ_ｅｎｄ＜ｎ＜Ｎ／２では、Ψ（ｎ）＝ＥＸＰ｛−（ｎ−ｎ_ｅｎｄ）^２／２＊σ^２｝
ゼロ領域Ｎ／２≦ｎ＜Ｎでは、Ψ（ｎ）＝０

なお、通過領域の下端ｎ_ｓａｒｔと上端ｎ_ｅｎｄとは、通過領域の最小周波数ｆ_ｓａｒｔと最大周波数ｆ_ｅｎｄとに対応して、ｎ_ｓａｒｔ＝ｆ_ｓａｒｔ＊Ｎ／ｆｓ、ｎ_ｅｎｄ＝ｆ_ｅｎｄ＊Ｎ／ｆｓとされる。また、σは、通過領域の両端の急峻度を決定するパラメータであり、実験的に最適な値が選択される。

次に、この周波数特性Ψ（ｎ）を逆フーリエ変換して、フィルタ処理用のウェーブレット（抽出関数Ｈ（ｋ））を生成する。逆フーリエ変換は、具体的には、図６に示す演算式を使用し、その結果、抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）とが得られる。なお、図６では、虚数単位ｊとの区別のために、変数ｊに変えて変数ｋを使用している。

次に、抽出関数Ｈ（ｊ）の中央位置（Ｌ／２）が最大振幅となり、その両端位置が０に収束するよう、データ位置をシフトさせ、フィルタ係数Ｌ個の抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ）とＨ_Ｉｍ（ｊ）とを特定する。この実施例では、イオン信号Ｄｉのデータ個数Ｎが１５０個（＝５ｍｓ＊ｆｓ）程度であるが、フィルタ係数の個数Ｌは、好ましくは、３２個又は６４個程度に抑制される。なお、周波数特性を決定するパラメータσが小さいほど、通過域両端の急峻度が高まるので、個数Ｌを増加させるべきである。

また、各抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ）、Ｈ_Ｉｍ（ｊ）は、各々、ＳＱＲＴ｛ΣＨ_Ｒｅ ^２（ｊ）｝と、ＳＱＲＴ｛ΣＨ_Ｉｍ ^２（ｊ）｝の値で正規化するのが好ましい。なお、Σの演算範囲は、ｊ＝０〜（Ｌ−１）である。

さて、上記の抽出関数を利用した一次フィルタ処理（ＳＴ３）が終われば、次に、ＢＰＦ処理後の実数部Ｘ１（ｉ）と、虚数部Ｙ１（ｉ）とに基づいて、出力値ＳＧ１（ｉ）を算出する（ＳＴ４）。具体的には、ＳＧ１（ｉ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ１（ｉ）^２＋Ｙ１（ｉ）^２）によるが、演算範囲はｉ＝０〜（Ｎ−１）である。

このステップＳＴ４の処理では、一次フィルタ処理（ＳＴ３）の実数出力Ｘ１（ｉ）と、虚数出力Ｙ１（ｉ）との瞬時相関を算出することになるが、この瞬時相関は、ＢＰＦ処理後の一次処理信号の包絡線を特定する処理に他ならない。したがって、計算負荷を軽減する趣旨から、簡易的には、一次フィルタ処理（ＳＴ３）の実数出力Ｘ１（ｉ）の絶対値ＳＧ１（ｉ）＝ＡＢＳ（Ｘ１（ｉ））を算出したのでも良い（ＳＴ４’）。

何れにしても、ステップＳＴ４又はＳＴ４’の処理によって、一次処理信号Ｘ１（ｉ），Ｙ１（ｉ）の包落線に対応する包絡信号ＳＧ１（ｉ）が得られるので、次に、この包絡信号ＳＧ１（ｉ）についてＢＰＦ２による二次フィルタ処理を施す（ＳＴ５）。

この二次フィルタ処理は、不要なノイズ成分（定在波成分）を除去して、本来のノック信号のみを特異的に抽出する処理である。そして、本発明者の検討によれば、（ａ）包絡信号ＳＧ１の１ｋＨｚ以下の周波数成分、特に、２００Ｈｚ〜１ｋＨｚ成分を確実に除去すること、及び（ｂ）１．１ｋＨｚ〜２．３ｋＨｚ程度の周波数成分が極めて重要であることが明らかとなった。

そこで、本実施例では、二次フィルタ処理の通過帯域を１．６ｋＨｚ〜２．２ｋＨｚ程度に設定している。また、この二次フィルタ処理でも、このバンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）を実現する抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）及び虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）と、包絡信号ＳＧ１（ｋ）との畳み込み演算によってＢＰＦ処理を実行している。具体的には、
Ｘ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ａ）
Ｙ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ’（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式２ｂ）
の二次フィルタ処理を実行してｎ＝０，１，２，・・・・，Ｎ−１の二次処理信号Ｘ２（０）・・・Ｘ２（Ｎ−１）と、Ｙ２（０）・・・Ｙ２（Ｎ−１）を得る。

ここで、（式２ａ）（式２ｂ）におけるΣの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲である。なお、（式２ａ）（式２ｂ）では、バンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）において、サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌ’に対して、整数値ｉ＝Ｌ’＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’−１）である。また、抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）において、整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’／２−１）である。なお、抽出関数Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）やＨ_Ｉｍ’（ｊ）についても正規化されたものが使用される。

続いて、ＢＰＦ処理後の実数部Ｘ２（ｉ）と、虚数部Ｙ２（ｉ）とに基づいて、評価信号ＳＧ２（ｉ）を算出する（ＳＴ６）。具体的には、ＳＧ２（ｉ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ２（ｉ）^２＋Ｙ２（ｉ）^２）によるが、その演算範囲は、予め特定されている評価区間（ｉ＝ａ〜ｂ）である。評価区間［ａ，ｂ］の始点ａは、好ましくは、ステップＳＴ３の補正演算における補正終了タイミングｔｅに設定され、評価区間［ａ，ｂ］の終点ｂは、好ましくは、イオン信号Ｄ（ｉ）十分に低レベルとなる収束位置に設定される。

次に、評価信号ＳＧ２（ｉ）の評価区間内の総和ＳＵＭ＝ΣＳＧ２（ｉ）を算出し（ＳＴ７）、この総和値ＳＵＭと、実験的に最適設定されている閾値ＴＨと対比して、総和値ＳＵＭが閾値ＴＨより大きい場合には、その点火サイクルにおいてノックが発生していると判定する（ＳＴ８）。

先に説明した通り、評価区間の始点ａは、補正終了タイミングｔｅ（＝ＴＯＰ−δ）に設定されるので、第二ピーク位置ＴＯＰより付加時間δだけ手前から評価信号が評価されることになる。したがって、万一、第二ピーク位置ＴＯＰの特定位置に誤差が生じても、正確なノック判定をすることができる。

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く、適宜な改変が可能である。特に、フィルタ処理については、例示した方法に限定されないのは勿論である。但し、実施例の方法によれば、通常のデジタルフィルタを使用する場合より高精度のＢＰＦ処理を実現することができる。

１ 信号取得部
２ 一次フィルタ部
４ 二次フィルタ部
ＳＧ１ 包絡信号
ＳＧ２ 評価信号

Claims (11)

1. 内燃機関の燃焼時に燃焼室に発生するイオン信号を取得する信号取得部と、
   取得されたイオン信号から、ノック信号の周波数帯域の信号を抽出する一次フィルタ部と、
   一次フィルタ部で抽出された一次処理信号の包落線に対応する包絡信号から、所定の周波数帯域の評価信号を抽出する二次フィルタ部と、
   二次フィルタ部で抽出された前記評価信号に基づいて、ノック発生の有無を評価する判定部と、を有して構成される燃焼制御装置。
2. 前記イオン信号は、所定の補正区間［ｔｓ，ｔｅ］について、窓関数による補正演算を経た上で、前記一次フィルタ部に供給される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. 前記補正区間の補正開始点ｔｓは、点火放電の終了直後に発生する放電ノイズ区間後のイオン信号について、そのレベルが最低となる最深点に設定される請求項２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記補正区間の補正終了点ｔｅは、前記最深点の後方側に位置して、最初に傾きゼロとなる頂点位置又は最大値を示す頂点位置ＴＯＰより手前に設定される請求項３に記載の燃焼制御装置。
5. 前記判定部は、前記補正区間の終点ｔｅから開始される評価区間［ａ，ｂ］について、前記評価信号を評価する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
6. 前記一次フィルタ部では、
   所望のバンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数Ｈ_Ｒｅ（ｊ），Ｈ_Ｉｍ（ｊ）と、前記イオン信号Ｆ（ｋ）に対して、
   （式１ａ）（式１ｂ）の畳み込み演算が実行される請求項１〜５の何れかに記載の燃焼制御装置。
   Ｘ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ａ）
   Ｙ１（ｎ）＝ΣＦ（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ（ｎ−ｋ＋Ｌ／２）・・・（式１ｂ）
   （１）バンドパスフィルタ特性Ψ（ｉ）において、
   サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌに対して、
   整数値ｉ＝Ｌ＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ−１）
   （２）抽出関数Ｈ（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ（ｊ）において、
   整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ／２−１）
   （３）（式１ａ）（式１ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ−１
   （４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ／２＋ｎまでの整数範囲
7. 前記包絡信号ＳＧ１（ｎ）は、
   前記一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）と、虚数出力Ｙ１（ｎ）の二乗和の平方根であって、
   ＳＧ１（ｎ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ１^２（ｎ）＋Ｙ１^２（ｎ））
   で与えられる請求項１に記載の燃焼制御装置。
8. 前記包絡信号ＳＧ１（ｎ）は、
   前記一次フィルタ部における実数出力Ｘ１（ｎ）または虚数出力Ｙ１（ｎ）に対する絶対値ＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｘ１（ｎ））又はＳＧ１（ｎ）＝ＡＢＳ（Ｙ１（ｎ））
   で与えられる請求項１に記載の燃焼制御装置。
9. 前記二次フィルタ部では、
   前記所定の周波数帯域のバンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）を逆フーリエ変換して得られる抽出関数Ｈ_Ｒｅ’（ｊ），Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）と、前記包絡信号ＳＧ１（ｋ）に対して、
   （式２ａ）（式２ｂ）の畳み込み演算が実行される請求項１〜８の何れかに記載の燃焼制御装置。
   Ｘ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｒｅ’（ｎ−ｋ＋Ｌ’／２）・・・（式２ａ）
   Ｙ２（ｎ）＝ΣＳＧ１（ｋ）＊Ｈ_Ｉｍ’（ｎ−ｋ＋Ｌ’／２）・・・（式２ｂ）
   （１）バンドパスフィルタ特性Ψ’（ｉ）において、
   サンプリング周波数ｆｓ、周波数ｆ、フィルタ係数の総数Ｌ’に対して、
   整数値ｉ＝Ｌ’＊ｆ／ｆｓであって、ｉ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’−１）
   （２）抽出関数Ｈ’（ｊ）の実数部Ｈ_Ｒｅ’（ｊ）と虚数部Ｈ_Ｉｍ’（ｊ）において、
   整数値ｊ＝０，１，２，・・・，（Ｌ’／２−１）
   （３）（式２ａ）（式２ｂ）で算出されるデータは、整数値ｎ＝０〜Ｎ’−１
   （４）Σの数値範囲は、ｋ＝−Ｌ’／２＋１＋ｎからｋ＝Ｌ’／２＋ｎまでの整数範囲
10. 前記評価信号ＳＧ２は、前記二次フィルタ部における実数出力Ｘ２（ｎ）と、虚数出力Ｙ２（ｎ）の二乗和の平方根であって、
    ＳＧ２（ｎ）＝ＳＱＲＴ（Ｘ２^２（ｎ）＋Ｙ２^２（ｎ））で与えられる請求項１〜９の何れかに記載の燃焼制御装置。
11. 前記判定部は、運転条件により特定される評価区間［ａ，ｂ］について、
    前記評価信号ＳＧ２の積分値に基づいてノックの有無を評価する請求項１０に記載の燃焼制御装置。