JP5554199B2

JP5554199B2 - 内燃機関のノック制御装置

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Publication number: JP5554199B2
Application number: JP2010224705A
Authority: JP
Inventors: 裕平松嶋; 秀樹葉狩; 敏克齋藤; 圭太郎江角; 友邦楠
Original assignee: Mazda Motor Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-10-04
Also published as: JP2012077696A; DE102011083875A1; CN102444525A; US20120080008A1; DE102011083875B4; CN102444525B; US8949006B2

Description

この発明は、内燃機関に発生するノックを制御するためのノック制御装置に関するものである。

従来から、内燃機関に発生するノック現象を、内燃機関のブロックに直接取り付けられた振動センサ（以下、ノックセンサと称する）により検出する装置が知られている。これは、内燃機関の運転中にノックが発生すると、内燃機関のボア径やノックの振動モードに応じて固有の周波数帯の振動が発生することが知られており、この固有周波数の振動強度を測定することでノックの検出を行なうものである。

又、ノック検出時には点火時期を遅角側へ補正することでノックを抑制し、ノック非検出となれば点火時期を進角側に復帰させることでトルク低下を最小限に抑えるノック制御装置が知られている。これは、内燃機関の特性として、点火時期を進角させると内燃機関の出力トルクは向上するがノックは発生し易くなり、逆に点火時期を遅角させると内燃機関の出力トルクは低下するがノックは発生しにくくなることが知られており、ノック検出時には点火時期を遅角側に補正し、ノック非検出となれば進角側に復帰することで、ノックの発生を抑制しつつ最もトルクが発生するノック限界点火時期にて内燃機関を運転するよう制御するものである。但し、内燃機関が低負荷で運転されている場合等に於いては、トルクが最大となる点火時期まで進角してもノックが発生しない場合があり、このような運転領域では前述のノック制御は不要である。

前述のような内燃機関のノック制御装置に於いて、ノックの発生を判定するための閾値は、一般的に、ノック信号をフィルタ処理することにより算出されるノック信号の平均値と予め適合させておいたゲイン及びオフセットとを用いて設定される場合や、前述のフィルタ処理により算出されるノック信号の平均値と標準偏差を用いて設定される場合が知られている。しかしながら、内燃機関の運転状態が変化するとノック信号の平均値や標準偏差も変化してしまうため、その変化に対応してゲイン等を適合させるための多大な適合処理工数が生じてしまうことや、或いは、閾値が適切に設定されずにノックの誤検出や検出漏れが生じるという問題があった。

前述の問題について、次に図を用いて更に詳しく説明する。図７は、内燃機関の運転状態毎のノック信号分布及び従来の装置によるノック検出を説明するイメージ図であり、（１）は運転状態Ａ〜Ｃの変化に対応してノック信号Ｖが変化する状態、（２）は運転状態Ａ〜Ｃに於けるノック信号Ｖの分布形状、（３）は運転状態がＡからＢを経てＣへと変化した場合の従来のノック制御装置に於けるノック判定閾値Ｔ_Ｈの挙動、をそれぞれ示している。

図７の（１）、（２）に示すように、運転状態がＡ→Ｂ→Ｃと変化すると、ノック信号Ｖの平均値μはμ_Ａ→μ_Ｂ→μ_Ｃと変化し、標準偏差σはσ_Ａ→σ_Ｂ→σ_Ｃと変化する。つまり、運転状態がＡ→Ｂ→Ｃと変化することにより、ノック信号Ｖの分布形状ＤがＤ_Ａ（μ_Ａ、σ_Ａ）→Ｄ_Ｂ（μ_Ｂ、σ_Ｂ）→Ｄ_Ｃ（μ_Ｃ、σ_Ｃ）と変化する。

ここで、従来のノック制御装置に於けるノック判定閾値Ｔ_Ｈの設定方法について説明する。先ず、点火毎の割り込み処理により、ノック信号Ｖ［ｎ］を次式に基づいてなまし処理を行ない、ノック信号Ｖ［ｎ］の平均値μ［ｎ］を算出する。

μ[ｎ]＝Ｋ_μ×Ｖ[ｎ−１]＋（１−Ｋ_μ）×Ｖ[ｎ]

Ｖ：ノック信号、Ｋ_μ：フィルタ係数、ｎ：割り込み処理数（正の整数）

次に、この算出したノック信号Ｖ［ｎ］の平均値μ［ｎ］と、ノック信号Ｖ［ｎ］とを用いて、次式に基づくなまし処理によりノック信号Ｖ［ｎ］の分散σ［ｎ］^２を算出する。

σ[ｎ]^２＝Ｋ_σ２×σ[ｎ−１]^２＋（１−Ｋ_σ２）×（Ｖ―μ）[ｎ]^２

Ｋ_σ２：分散算出用フィルタ係数

そして、次式に示すように、前述の算出したノック信号Ｖ［ｎ］の分散σ［ｎ］^２の平方根を算出することにより、ノック信号Ｖの標準偏差σ［ｎ］を算出する。

σ［ｎ］＝（σ［ｎ］^２）^１／２

以上のようにして算出したノック信号Ｖ［ｎ］の平均値μ［ｎ］と標準偏差σ［ｎ］とを用いて、次式に基づいてノック判定閾値Ｔ_Ｈを算出する。

Ｔ_Ｈ［ｎ］＝μ［ｎ］＋Ｋ_Ｔｈ×σ［ｎ］

Ｋ_ＴＨ：閾値算出用係数

ここで、前述の各式に用いられるフィルタ係数Ｋ_μ及び分散算出用フィルタ係数Ｋ_σ２は、内燃機関の運転状態が変化した場合に、その変化の過渡時には早く追随するように設定され、ノック判定時には遅く追随するように設定される。

従来のノック制御装置の場合、図７の（３）に示すように、運転状態がＡからＣへと変化した場合に、ノック判定閾値Ｔ_Ｈの挙動をノック信号Ｖの平均値μや標準偏差σの変化に追従させるために、変化した平均値μや標準偏差σに各フィルタ係数を綿密に適合させる必要があり、更に、前述したようにノック判定時には各フィルタの追従が遅くなるように設定されているので、ノック信号Ｖがノック判定閾値Ｔ_Ｈより上回ってノックが発生したと誤判定をした場合にはノック誤判定が継続してしまうという課題があった。

そこで、従来、ノック信号を正規化（標準化、無次元化）することで、内燃機関の運転状態の変化によるノック信号の平均値や標準偏差の変化を抑制するようにした内燃機関の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１及び２に示された従来の装置は、ノック信号の平均値と標準偏差を用いて、次式に示す一般的な標準化手法に則りノック信号の正規化を行い、内燃機関の運転状態によるノック信号の平均値や標準偏差の変化を抑制するようにしたものである。

Ｚ＝（Ｖ−μ）／σ

Ｚ：正規化後のノック信号

特開２００５−２９９５８０号公報特開２００５−３０７７５３号公報

特許文献１及び２に開示された従来の装置によれば、内燃機関の運転状態の如何によらずノック信号が平均値［μ＝０］及び標準偏差［σ＝１］に正規化（標準化）されるが、ノック発生時の標準偏差σの変化率が大きいため、ノックの発生による振動成分まで正規化されてしまい、Ｓ／Ｎが低下し、ノック制御性が悪化してしまうという課題があった。又、正規化を行なうために標準偏差σを算出する必要があるため、ノック判定閾値とは別にノック信号の標準偏差σを算出するための２乗計算及び平方根計算が必要となり、演算装置の処理負荷が増大するだけでなく、算出に必要な適合処理の工数が増加するという課題があった。更に、図７の（３）に示すように、内燃機関の運転状態が変化した場合にはノック信号Ｖの平均値μの算出遅れが生じるため、内燃機関の運転状態が変化している状態ではノック信号Ｖとその平均値μから算出される標準偏差σの精度が低くなる（大きめに算出される）という課題があった。

この発明は、従来の装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、ノック制御性の悪化や演算装置の処理負荷及び適合工数の増大を招くことなく、内燃機関の運転状態の変化によるノック信号の平均値や標準偏差の変化を抑制し、ノック制御性を向上させるようにした内燃機関のノック制御装置を提供することを目的とする。

この発明による内燃機関のノック制御装置は、
内燃機関のノックによる振動を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの出力信号から抽出したノック信号を正規化するノック信号正規化手段と、前記正規化されたノック信号に基づいてノック判定閾値を設定するノック判定閾値設定手段と、前記正規化されたノック信号と前記設定されたノック判定閾値に基づいてノック強度を算出するノック強度演算手段と、前記算出されたノック強度に基づいてノックの有無を判定するノック判定手段と、前記ノック判定手段によりノックが発生していると判定された場合には前記算出したノック強度を補正するノック補正量を算出するノック補正量演算手段とを備え、
前記ノック信号正規化手段は、前記ノック信号を前記ノック信号の平均値により除算し正規化することを特徴とするものである。

この発明による内燃機関のノック制御装置によれば、ノック信号の標準偏差との相関は高いが、ノック発生時の変化率は標準偏差に比べて小さい平均値を用いてノック信号を除算することで、先ず、ノックの発生による振動成分まで正規化されることなく、運転状態の変化によるノック信号の標準偏差の変化のみを精度良く抑制することが可能となる。更に、ノック信号の平均値についても略「１」に正規化することが可能となる。又、正規化のためにノック信号の標準偏差を算出する必要がないので処理負荷を低減することが可能であり、更に、標準偏差算出のための定数設定を行なう必要がないので適合処理の工数を削減することが可能となる。

この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置を適用した内燃機関全体を概略的に示す構成図である。この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置に於けるノック制御部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック信号正規化処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック信号正規化を示すイメージ図である。この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック補正量を説明するイメージ図である。図７は、内燃機関の運転状態毎のノック信号分布及び従来の装置によるノック検出を説明するイメージ図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置について詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置を適用した内燃機関全体を概略的に示す構成図である。尚、自動車等車両用の内燃機関は、通常、複数のシリンダ及びピストンを備えているが、図１では説明の便宜上、一つのシリンダ及びピストンのみを示している。

図１に於いて、内燃機関１の吸気系１００の上流側にはエアフィルタ５０が設けられ、その下流側にエアフィルタ５０を介して吸入した空気を貯留するサージタンク５が設けられている。サージタンク５は、インテークマニホールド５１を介して内燃機関１の複数のシリンダに連結されている。

サージタンク５０の上流側に設けられた電子制御式スロットルバルブ２は、電子的に開度が制御されて吸気系１００の吸入空気流量を調整する。この電子制御式スロットルバルブ２の上流側に設けられたエアフローセンサ４は、吸気系１００に於ける吸入空気流量を測定し、その測定値に対応した吸入空気量信号を出力する。

スロットル開度センサ３は、電子制御式スロットルバルブ２の開度を測定し、その測定値に対応したスロットルバルブ開度信号を出力する。尚、電子制御式スロットルバルブ２の代わりに図示しないアクセルペダルに直接ワイヤで繋がれた機械式スロットルバルブを用いてもよい。

サージタンク５に設けられたインテークマニホールド圧力センサ（以下、単に、インマニ圧センサと称する）６は、サージタンク５内の吸気圧、従ってインテークマニホールド５１内の吸気圧を測定し、その測定値に対応するインテークマニホールド圧力信号（以下、単に、インマニ圧信号と称する）を出力する。尚、この実施の形態１では、エアフローセンサ４とインマニ圧センサ６との両方を設けているが、何れか一方のみを設けるようにしても良い。

サージタンク５の下流の吸気ポートに設けられた吸気バルブ７１は、可変吸気バルブ機構７によりその開閉タイミングが可変制御される。又、吸気ポートには燃料を噴射するインジェクタ８が設けられている。尚、インジェクタ８は内燃機関１のシリンダ内に燃料を直接噴射できるように設けられてもよい。

内燃機関１のシリンダヘッドにはシリンダ内の混合気に点火するための点火コイル９と、この点火コイル９と一体に形成された点火プラグ１０が設けられている。又、内燃機関１のクランク軸には、周面に定められた間隔で設置された複数のエッジを備えたプレート１１０が設けられている。クランク角センサ１１は、プレート１１０のエッジに対向して設けられ、クランク軸と共に回転するプレート１１０のエッジを検出し、夫々のエッジの設置間隔に同期したパルス信号を出力する。内燃機関１に設けられたノックセンサ１２は、内燃機関１の振動に基づく振動波形信号を出力する。

シリンダの排気ポートに設けられた排気弁８１は、開弁することによりシリンダ内から排気ガスを排気系２００に排出させる。排気系２００の下流側には、排気ガスを浄化する触媒装置（図示せず）が設けられている。

図２は、この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置の構成を示すブロック図である。図２於いて、内燃機関１の電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）１３は、マイクロコンピュータ等の演算装置により構成され、エアフローセンサ４から出力された吸入空気流量信号と、インマニ圧センサ６から出力されたインマニ圧信号と、スロットル開度センサ３から出力されたスロットルバルブ開度信号と、クランク角センサ１１から出力されたプレート１１０のエッジの設置間隔に同期したパルス信号と、ノックセンサ１２から出力された内燃機関１の振動波形信号が夫々入力される。

又、ＥＣＵ１３には、前述の各信号以外の図示していない他の各種センサ３００からも夫々の測定値に対応した信号が入力され、更に、例えば、自動変速機制御システム、ブレーキ制御システム、トラクション制御システム等の他のコントローラ４００からの信号も入力される。

ＥＣＵ１３は、アクセル開度や内燃機関１の運転状態等を基にして目標スロットル開度を算出し、その算出した目標スロットル開度に基づいて電子制御式スロットルバルブ２の開度を制御する。又、ＥＣＵ１３は、内燃機関１の運転状態に応じて、可変吸気バルブ機構７を制御して吸気バルブ７１の開閉タイミングを可変制御すると共に、目標空燃比を達成するようにインジェクタ８を駆動して燃料噴射量を制御し、更に、目標点火時期を達成するように点火コイル９への通電を制御して点火時期を制御する。

又、ＥＣＵ１３は、後述のようにして内燃機関１のノックを検出した場合には、目標点火時期を遅角側（リタード側）に設定することでノックの発生を抑制する制御も行なう。更に、前述以外の各種アクチュエータ５００を制御するための指示値を算出し、その指示値に基づいて各種アクチュエータ５００を制御する。

次に、ＥＣＵ１３内に構成されているノック制御部の構成、及びその動作について説明する。図３は、この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置に於けるノック制御部の構成を示すブロック図である。図３に於いて、ＥＣＵ１３内に構成されたノック制御部は、各種のＩ／Ｆ回路１３１と、マイクロコンピュータ１３２から構成されている。各種のＩ／Ｆ回路１３１に於けるノック制御用のＩ／Ｆ回路は、ノックセンサ１２から出力された内燃機関１の振動波形信号を受け、その振動波形信号から高周波成分を除去するためのローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと称する）１４を備えている。

マイクロコンピュータ１３２は、全体としては、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５と、制御プログラムや制御定数を記憶しておくＲＯＭ領域と、プログラムを実行した際の変数を記憶しておくＲＡＭ領域等から構成されているが、ノック制御部の構成としては、Ａ／Ｄ変換器１５と、デジタル信号処理部１６と、ノック信号正規化手段１７と、ノック判定閾値設定手段１８と、ノック強度演算手段１９と、ノック判定手段２０と、ノック補正量演算部２２とを備える。

ＬＰＦ１４は、前述したようにノックセンサ１２から出力された内燃機関１の振動波形信号を受け、その振動波形信号から高周波成分を除去するが、Ａ／Ｄ変換器１５にて全振動成分を取り込むために、例えば、２．５［Ｖ］のバイアスを加えることにより、振動成
分の中心を２．５［Ｖ］にしておき、２．５［Ｖ］を中心として、０［Ｖ］〜５［Ｖ］の範囲に振動成分が収まるように構成されている。尚、ＬＰＦ１４には、ノックセンサ１２からの振動波形信号の振動成分が小さい場合には、２．５［Ｖ］を中心に増幅し、大きい場合には２．５［Ｖ］を中心に減少させるゲイン変換機能も含まれている。

Ａ／Ｄ変換器１５は、ＬＰＦ１４によりノックセンサからの振動波形信号から高調波成分が除去されたアナログの振動波形信号をデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換器１５によるＡ／Ｄ変換は、一定の時間間隔、例えば、１０［μｓ］や２０［μｓ］等毎に実行される。

尚、Ａ／Ｄ変換器１５は、ＬＰＦ１４からのアナログ信号に対して常時Ａ／Ｄ変換を行い、内燃機関１にノックが発生する期間、例えば、ピストンの上死点（Top Death Center：以下、ＴＤＣと称する）から上死点後（After Top Death Center：以下、ＡＴＤＣと称する）５０°ＣＡ、等に設定されたノック検出期間のデータのみをデジタル信号処理部１６以降へ送るようにしても良く、或いは、例えばＴＤＣからＡＴＤＣ５０°ＣＡに設定されたノック検出期間のみＡ／Ｄ変換を行い、そのデータをデジタル信号処理部１６以降へ送るようにしても良い。

次に、デジタル信号処理部１６では、Ａ／Ｄ変換器１５から入力されたデジタル信号に対して、時間・周波数解析を行なう。具体的には、例えば、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）若しくは短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）等の処理により、所定時間毎のノック固有周波数成分のスペクトル列を算出する。尚、デジタル信号処理部１６によるデジタル信号処理としては、無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタや有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタを用いてノック固有周波数成分を抽出するようにしてもよい。

尚、デジタル信号処理部１６は、Ａ／Ｄ変換器１５による前述のノック検出期間に於けるＡ／Ｄ変換の完了後に処理を開始し、後述するノック信号正規化手段１７からノック補正量演算部２１による処理を実施するクランク角同期の割り込み処理（例えば、上死点前（Before Top Death：以下、ＢＴＤＣと称する）７５°ＣＡでの割込み処理）までに処理を終了しておく。

又、デジタル信号処理部１６では、それぞれ異なる複数個のノック固有周波数成分のスペクトルを算出し、後述するノック強度Ｉ_ＫＮＫに相関のある値をノック信号Ｖ_ＳＩＧとして算出する。ここではノック信号Ｖ_ＳＩＧとしては、前述のノック検出区間に於けるピーク値を用いても良いし、平均値を用いても良い。デジタル信号処理部１６により算出されたノック信号Ｖ_ＳＩＧを用いて以降の処理を行なう。

次に、図３のノック信号正規化手段１７からノック補正量演算手段２１までの処理について説明する。図４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック信号正規化処理を示すフローチャートである。図４に示す処理は、前述のクランク角同期の割り込み処理、例えば、ＢＴＤＣ７５°ＣＡでの割込み処理にて実施される。

先ず、ノック信号正規化手段１７による処理について説明する。図４のステップＳ１０１〜Ｓ１０７は、ノック信号正規化手段１７による処理を示す。ステップＳ１０１に於いて、デジタル信号処理１６から出力されたノック信号Ｖ_ＳＩＧをノック信号正規化手段１７の入力とする。尚、以下の説明では、デジタル信号処理１６から出力されノック信号正規化手段１７に入力されるまでのノック信号Ｖ_ＳＩＧを、正規化前ノック信号Ｖ_ＳＩＧと称する。

続くステップＳ１０２では、次式（１）を用い、正規化前ノック信号Ｖ_ＳＩＧについて
ＢＴＤＣ７５°ＣＡ毎の割り込み処理行程［ｎ］毎にフィルタ処理を行なうことにより、正規化前ノック信号Ｖ_ＳＩＧ［ｎ］を平均化して正規化前ノック信号Ｖ_ＳＩＧ［ｎ］の平均値Ｖ_ＡＳＩＧ［ｎ］を得る。

Ｖ_ＡＳＩＧ[ｎ]＝Ｋ_ＡＳＩＧ×Ｖ_ＡＳＩＧ[ｎ−１]
＋（１−Ｋ_ＡＳＩＧ）×Ｖ_ＳＩＧ[ｎ]
・・・・・・・・式（１）
Ｋ_ＡＳＩＧ：フィルタ係数
ｎ：割り込み処理数（正の整数）

ノック信号正規化手段１７では、フィルタ係数Ｋ_ＡＳＩＧを後述するノック判定手段２０の判定結果に応じて可変とすることはない。これは、ノック判定はノック信号とノック判定閾値の前回算出値に基づいて行われるためであり、ノック信号の正規化の際に同様の処理を行なうと遅れが生じて正しく正規化することができないためである。

続くステップＳ１０３では、次式（２）を用い、正規化前ノック信号Ｖ_ＳＩＧ［ｎ］の標準偏差を正規化して標準偏差正規化後ノック信号Ｖ_ＮＳＧＭ［ｎ］を得る。

Ｖ_ＮＳＧＭ[ｎ]＝Ｖ_ＳＩＧ[ｎ]／Ｖ_ＡＳＩＧ[ｎ]
（∵Ｖ_ＭＩＮ＜Ｖ_ＡＳＩＧ＜Ｖ_ＭＡＸ）・・・・・・・・式（２）
ここで、ノック信号最小値Ｖ_ＭＩＮ、及びノック信号最大値Ｖ_ＭＡＸは、ノック制御が実行されている状態からノック制御禁止の状態となるノック信号の下限値の直前の値、及び上限値の直前の値を用いても良いし、予め実験的に求めた値から設定しておいても良い。尚、ステップＳ１０３は、信号正規化手段としての標準偏差正規化手段を構成する。

続くステップＳ１０４では、次式（３）を用い、標準偏差正規化後ノック信号Ｖ_ＮＳＧＭ［ｎ］について、割り込み処理行程［ｎ］毎にフィルタ処理を行なうことにより平均化して標準偏差正規化後ノック信号Ｖ_ＮＳＧＭ［ｎ］の平均値Ｖ_ＡＳＧＭ［ｎ］を得る。

Ｖ_ＡＳＧＭ[ｎ]＝Ｋ_ＡＳＧＭ×Ｖ_ＡＳＧＭ[ｎ−１]
＋（１−Ｋ_ＡＳＧＭ）×Ｖ_ＮＳＧＭ[ｎ]
・・・・・・・・式（３）
Ｋ_ＡＳＧＭ：フィルタ係数

尚、ここでも前述した理由により、フィルタ係数Ｋ_ＡＳＧＭをノック判定部２０の判定結果に応じて可変とはしない。

続くステップＳ１０５では、次式（４）を用い、標準偏差正規化後ノック信号Ｖ_ＮＳＧＭ［ｎ］の平均値Ｖ_ＡＳＧＭ［ｎ］を正規化して平均値正規化後ノック信号Ｖ_ＮＡＶＥ［ｎ］を得る。尚、ステップ１０５は、平均値正規化手段を構成する。

Ｖ_ＮＡＶＥ[ｎ]＝Ｖ_ＮＳＧＭ[ｎ]＋（１−Ｖ_ＡＳＧＭ[ｎ]）
・・・・・・・・式（４）

続くステップＳ１０６では、平均値正規化後ノック信号Ｖ_ＮＡＶＥ［ｎ］を用いてステップＳ１０４からステップＳ１０５の処理を所定回数繰返す。

続くステップＳ１０７では、所定回数繰返して平均値を正規化処理した後の平均値正規化後ノック信号Ｖ_ＮＡＶＥ［ｎ］を、正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］として以降のノ
ック判定閾値設定手段１８及びノック強度演算手段１９に用いる。

次にノック判定閾値設定手段１８に於ける処理について説明する。ノック判定閾値設定手段１８としては、フィルタ処理により算出されるノック信号の平均値と予め適合させておいたゲインとオフセットを用いてノック判定閾値を設定するものや、フィルタ処理により算出されるノック信号の平均値と標準偏差を用いてノック判定閾値を設定するものが知られているが、ここでは平均値と標準偏差を用いてノック判定閾値を設定する場合について説明する。図４のステップＳ１０８は、ノック判定閾値設定手段１８による処理を示す。

ステップＳ１０８では、次式（５）を用い、前述のステップＳ１０７による正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］に対して、割り込み処理行程［ｎ］毎にフィルタ処理を行なうことにより平均化してノック信号平均値Ｖ_ＢＧＬ［ｎ］を得る。尚、ＢＧＬは、バックグランドレベルを意味する。

Ｖ_ＢＧＬ[ｎ]＝Ｋ_ＢＧＬ×Ｖ_ＢＧＬ[ｎ−１]＋（１−Ｋ_ＢＧＬ）×Ｖ_ＮＲＭ[ｎ]
・・・・・・・・式（５）
Ｋ_ＢＧＬ：ＢＧＬ算出用フィルタ係数

ここで、ＢＧＬ算出用フィルタ係数Ｋ_ＢＧＬは、後述するノック判定手段２０の判定結果に応じて可変とし、例えばノック有りと判定した場合にはＢＧＬ算出用フィルタ係数Ｋ_ＢＧＬを大きな値とし、ノック有りと判定していない場合（ノック無し）にはＢＧＬ算出用フィルタ係数Ｋ_ＢＧＬを小さな値とする。

続いて、次式（６）を用いて、正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］の分散Ｖ_ＡＲ［ｎ］を算出する。

Ｖ_ＡＲ[ｎ]＝Ｋ_ＶＡＲ×Ｖ_ＡＲ[ｎ−１]＋（１−Ｋ_ＶＡＲ）
×（Ｖ_ＮＲＭ−Ｖ_ＢＧＬ）^２
・・・・・・・・式（６）
Ｋ_ＶＡＲ：分散算出用フィルタ係数

ここで、分散算出用フィルタ係数Ｋ_ＶＡＲは、ノック判定手段２０の判定結果に応じて可変とし、例えばノック有りと判定した場合には分散算出用フィルタ係数Ｋ_ＶＡＲを大きな値とし、ノック有りと判定していない場合（ノック無し）には分散算出用フィルタ係数Ｋ_ＶＡＲを小さな値とする。

次に、次式（７）を用いて、正規化後ノック信号の標準偏差Ｓ_ＧＭ［ｎ］を算出する。

Ｓ_ＧＭ[ｎ]＝Ｖ_ＡＲ[ｎ]^１／２
・・・・・・・・式（７）

続いて、正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］の分散Ｖ_ＡＲ［ｎ］に基づき次式（８）を用いて、ノック判定閾値Ｖ_ＴＨ［ｎ］を算出する。

Ｖ_ＴＨ[ｎ]＝Ｖ_ＢＧＬ[ｎ]＋Ｋ_ＴＨ×Ｓ_ＧＭ[ｎ]
・・・・・・・・式（８）
Ｋ_ＴＨ：信頼区間補正係数
尚、信頼区間補正係数Ｋ_ＴＨは、ノックの発生確率に基づいて適合される値であり通常「３」程度の値が設定される。

次に、ノック強度演算手段１９に於ける処理について説明する。図４のステップＳ１０９は、ノック強度演算手段１９による処理を示す。ステップＳ１０９にて、正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］と、ノック信号平均値Ｖ_ＢＧＬ［ｎ］と、ノック判定閾値Ｖ_ＴＨ［ｎ］とから、次式（９）を用いてノック強度Ｉ_ＫＮＫＮ［ｎ］を算出する。

Ｉ_ＫＮＫＮ［ｎ］
＝（Ｖ_ＮＲＭ［ｎ］−Ｖ_ＢＧＬ［ｎ］）／（Ｖ_ＴＨ［ｎ］−Ｖ_ＢＧＬ［ｎ］）
・・・・・・・・式（９）

ノック強度演算手段１９により、ノック固有周波数、気筒毎に算出されたノック強度Ｉ_ＫＮＫＮ［ｎ］に基づいて、続くステップＳ１１０にてノックが発生しているか否かの判定を行なう。ステップＳ１１０は、ノック判定手段２０による処理を示す。

しかしながら、同じノック強度でも、実際に運転者に聞こえるノック音は内燃機関の運転状態の違いにより大きく異なる。例えばエンジン回転が低い運転領域では同じノック強度が発生した場合でもノック音は大きく聞こえるが、エンジン回転が高い運転領域ではノック音は他のノイズ音に掻き消されるため小さく聞こえる。ノック信号を正規化した場合には内燃機関の運転状態によるノック信号平均値の差異がなくなるため、前述の式（９）により算出されるノック強度Ｉ_ＫＮＫＮ「ｎ」をそのまま用いたのでは、このような運転状態の違いによるノック音の違いまでを抑制することは困難である。

そこでステップＳ１１１では、次式（１０）を用いてノック強度Ｉ_ＫＮＫＮ「ｎ」を補正するためのノック補正量Ｒ_ＴＤを算出する。ステップＳ１１１は、ノック補正量演算手段２１による処理を示す。

Ｒ_ＴＤ［ｎ］＝Ｉ_ＫＮＫＮ［ｎ］／（Ｋ_ＩＫＮＫ×Ｖ_ＡＳＩＧ［ｎ］）
・・・・・・・・式（１０）
Ｋ_ＩＫＮＫ：ノック強度算出補正係数

この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置は、以上のようにして補正したノック補正量を用いることにより、運転者の感覚にあったノック制御を実現するものである。

図５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック信号正規化を示すイメージ図であり、内燃機関の回転数や負荷、点火時期等の運転状態が変化したときに於ける、前述の図４のフローチャートに従ってノック信号を正規化した場合のノック信号のイメージを示している。

図５に於いて、（１）は、前述の図７の（１）と同様に、ノック信号を正規化する前の正規化前ノック信号のイメージを示し、内燃機関の運転状態の違いにより、ノック信号の平均値や標準偏差が大きく変化している。（２）は標準偏差を正規化した後のノック信号のイメージを示し、ノック信号の振幅の変化が抑制されている様子が示されている。（３）はノック信号の平均値を正規化した後のノック信号のイメージを示し、ノック信号のレベル（大きさ）の変化が抑制されている様子が示されている。尚、図５の（２）、（３）から明らかなように、ノック信号が小さすぎると、フィルタ処理の誤差の影響により正規化の誤差が大きくなる。

図５の（４）は、ノック信号の平均値の正規化（線形写像）を繰返し実行した後のノック信号のイメージであり、ノック信号のレベルの変化がさらに抑制されている様子が示さ
れている。

尚、図５の（２）、（３）、（４）は、正規化処理に使用するノック信号の平均値を制限することなく正規化した場合のノック信号のイメージを示している。

次に、図５に於いて、（５）〜（８）は、正規化処理に使用するノック信号の平均値をノック制御実行領域から外れる直前の値を下限として制限して正規化した場合の、ノック信号のイメージを示す。（５）は、（１）と同一のデータであるが、ノック制御実行領域とノック制御実行領域に於けるノック信号平均値の下限値を図中に示している。

図５に於いて、（６）は、ノック制御実行領域以外にてノック信号平均値の下限値を用いてノック信号の標準偏差を正規化した後のイメージである。（７）及び（８）は、平均値の正規化及び繰返し処理を行った後のイメージであり、ノック信号の正規化に用いる平均値をノック制御実行領域に於けるノック信号平均値の下限値で制限することにより、ノック制御実行領域外で正規化の誤差が大きくなるのが抑制されている様子が示されている。

図６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於けるノック補正量を説明するイメージ図であり、Ａはエンジン回転速度、Ｂは正規化前ノック信号平均値、Ｃは正規化後ノック信号とノック信号平均値とノック判定閾値、Ｄはノック強度を補正していない場合のノック補正量、Ｅは正規化前のノック信号平均値を用いてノック強度を補正した場合のノック補正量、をそれぞれ示している。

図６に於いて、Ａに示すように、エンジン回転速度は低速域から高速域まで変化し、Ｂに示すように、正規化前ノック信号平均値Ｖ_ＡＳＩＧは小さい値から大きい値まで変化するとする。このとき、前述の演算により算出される正規化後ノック信号Ｖ_ＮＲＭと、ノック信号平均値Ｖ_ＢＧＬと、ノック判定閾値Ｖ_ＴＨとは、それぞれＣのイメージで表現される。Ｃに示すように、ノック信号平均値Ｖ_ＢＧＬは、１、２及び３に於いてノック判定閾値Ｖ_ＴＨを超えるレベルにあるとする（１、２、３はほぼ同一値とする）と、前述の式（１０）を用いてノック強度Ｉ_ＫＮＫＮ「ｎ」を補正しないとすれば、Ｄに示すように、［ノック補正量Ｒ_ＴＤ＝Ｉ_ＫＮＫＮ＝（Ｖ_ＮＲＭ−Ｖ_ＢＧＬ）／（Ｖ_ＴＨ−Ｖ_ＢＧＬ）］となり、エンジン回転速度が低速域、中速域、及び高速域の何れにあってもノック強度Ｉ_ＫＮＫＮは１、２、及び３に於いてほぼ同一レベルとなる。従って、この場合は、前述したように、ほぼ同一のノック強度でありながら、実際に運転者に聞こえるノック音は内燃機関の運転状態の違いにより大きく異なることとなる。

これに対して、図７のＥに示すように、前述の式（１０）に基づいてノック強度を補正した場合のノック補正量Ｒ_ＴＤは、運転状態毎にノック補正量の算出値が１、２、及び３のように異なる値となる。従って、運転者の感覚にあったノック制御を実現することができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関のノック制御装置によれば、ノック信号を正規化することで、綿密な適合処理を行なうことなく運転状態の変化によらずノック判定閾値レベルを適切に設定することができ、更に、ノック信号の正規化によりＳ／Ｎの低下を抑制することができる。又、ノック強度の算出を運転状態の差異に基づいて行なうことで、運転者の感覚にあったノック制御を実現することができる。

以上述べたこの発明による内燃機関のノック制御装置は、以下の特徴を備えるものである。
（１）この発明による内燃機関のノック制御装置は、内燃機関のノックによる振動を検出
するノックセンサと、前記ノックセンサの出力信号から抽出したノック信号を正規化するノック信号正規化手段と、前記正規化されたノック信号に基づいてノック判定閾値を設定するノック判定閾値設定手段と、前記正規化されたノック信号と前記設定されたノック判定閾値に基づいてノック強度を算出するノック強度演算手段と、前記算出されたノック強度に基づいてノックの有無を判定するノック判定手段と、前記ノック判定手段によりノックが発生していると判定された場合には前記算出したノック強度を補正するノック補正量を算出するノック補正量演算手段とを備え、前記ノック信号正規化手段は、前記ノック信号を前記ノック信号の平均値により除算して前記ノック信号の標準偏差を正規化するようにしたものである。
この構成によれば、ノック信号の標準偏差との相関は高いが、ノック発生時の変化率は標準偏差に比べて小さい平均値を用いてノック信号を除算することで、先ず、ノックの発生による振動成分まで正規化されることなく、運転状態の変化によるノック信号の標準偏差の変化のみを精度良く抑制することが可能となる。更に、ノック信号の平均値についても略「１」に正規化することが可能となる。又、正規化のためにノック信号の標準偏差を算出する必要がないので処理負荷を低減することが可能であり、更に、標準偏差算出のための定数設定を行なう必要がないので適合処理の工数を削減することが可能となる。

（２）この発明による内燃機関のノック制御装置に於いて、前記ノック信号正規化手段は、望ましくは、前記ノックセンサの出力信号から抽出したノック信号の標準偏差を正規化して標準偏差正規化後ノック信号を得る標準偏差正規化手段と、前記標準偏差正規化手段により得た標準偏差正規化後ノック信号を所定の値に線形写像することにより前記ノック信号の平均値を正規化する平均値正規化手段とを備える。
この構成によれば、ノック信号の標準偏差が正規化された信号に対してその信号の平均値が所定値になるように線形写像を行なうことにより、ノック信号の低周波成分を除去するフィルタすることになり、運転状態の変化によるノック信号の平均値の変化をさらに抑制することができ、運転状態の変化によるノック誤判定の継続を抑制することができる。

（３）この発明による内燃機関のノック制御装置に於いて、望ましくは、前記平均値正規化手段により処理された信号の平均値を所定の値に線形写像する処理は、所定回数繰返し行なわれる。
この構成によれば、繰返し線形写像を行なうことで、ノック信号の低周波成分を除去するフィルタの次数が増えることになり、ノック信号の平均値の変化をさらに抑制することができるため、運転状態の変化によるノック誤判定の継続を抑制することができる。

（４）この発明による内燃機関のノック制御装置に於いて、望ましくは、前記標準偏差正規化手段は、ノック制御の実行が禁止となっている状態では、前記ノック制御の実行が禁止となる直前の前記ノック信号の平均値を用いて前記ノック信号の標準偏差を正規化するものである。
この構成によれば、過小な平均値を用いて除算を行なうことによる正規化の精度不良を防止することができる。

（５）この発明による内燃機関のノック制御装置に於いて、望ましくは、前記ノック補正量演算手段により算出されるノック補正量は、前記ノック強度演算手段により算出されたノック強度と前記ノック信号正規化手段により正規化される前のノック信号とを用いて、前記ノック強度演算手段により演算された前記ノック強度を補正した量である。
この構成によれば、正規化後のノック信号に基づいてノック判定閾値の設定やノック判定を行なうことで、運転状態の変化によらずノック判定閾値の設定やノック判定を精度良く行なうことが可能となる。又、、正規化前のノック信号を用いてノック補正量を補正することで、例えばノック信号が小さい状態（エンジンの騒音自体が静かな状態）ではノックの音が運転者に聞こえやすいため、算出されたノック強度に対して大きい補正量を算出
することが可能となり、運転者の感覚に合ったノック制御を行なうことが可能となる。

１内燃機関２電子制御式スロットルバルブ
３スロットル開度センサ４エアフローセンサ
５サージタンク６インテークマニホールド圧力センサ
７可変吸気バルブ機構８インジェクタ
９点火コイル１０点火プラグ
１１クランク角センサ１１１２ノックセンサ
１３電子制御ユニット１４ローパスフィルタ
１５Ａ／Ｄ変換器１６デジタル信号処理部
１７ノック信号正規化手段１８ノック判定閾値設定手段
１９ノック強度演算手段２０ノック判定手段
２１ノック補正量演算手段５０エアフィルタ
５１インテークマニホールド７１吸気バルブ
８１排気弁１００吸気系
１１０プレート１３１Ｉ／Ｆ回路
１３２マイクロコンピュータ２００排気系
３００各種センサ５００各種アクチュエータ

Claims

内燃機関のノックによる振動を検出するノックセンサと、前記ノックセンサの出力信号から抽出したノック信号を正規化するノック信号正規化手段と、前記正規化されたノック信号に基づいてノック判定閾値を設定するノック判定閾値設定手段と、前記正規化されたノック信号と前記設定されたノック判定閾値に基づいてノック強度を算出するノック強度演算手段と、前記算出されたノック強度に基づいてノックの有無を判定するノック判定手段と、前記ノック判定手段によりノックが発生していると判定された場合には前記算出したノック強度を補正するノック補正量を算出するノック補正量演算手段とを備え、
前記ノック信号正規化手段は、前記ノック信号を前記ノック信号の平均値により除算して正規化することを特徴とする内燃機関のノック制御装置。
前記ノック信号正規化手段は、
前記ノックセンサの出力信号から抽出したノック信号を前記ノック信号の平均値により除算して正規化し、正規化後ノック信号を得る信号正規化手段と、
前記信号正規化手段により得た正規化後ノック信号を所定の値に線形写像することにより前記ノック信号の平均値を正規化する平均値正規化手段とを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック制御装置。
前記平均値正規化手段により処理された信号の平均値を所定の値に線形写像する処理は、所定回数繰返し行なわれることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のノック制御装置。
前記信号正規化手段は、ノック制御の実行が禁止となっている状態では、前記ノック制御の実行が禁止となる直前の前記ノック信号の平均値を用いて前記ノック信号を正規化することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関のノック制御装置。
前記ノック補正量演算手段により算出されるノック補正量は、前記ノック強度演算手段により算出されたノック強度と前記ノック信号正規化手段により正規化される前のノック信号とを用いて、前記ノック強度演算手段により演算された前記ノック強度を補正した量であることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の内燃機関のノック制御装置。