JP5757728B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノッキング制御を行うための内燃機関の制御装置に関する。

従来、ノッキング制御を行うための内燃機関の制御として、ノックセンサから出力される信号のサンプリング値とノッキングセンサの出力信号が示すノッキングの際の振動の大きさやエンジン音の大きさ等との相関を一義的に定めることが困難であることに鑑み、以下のような制御が広く採用されている。

具体的には、ノックセンサから出力される信号のサンプリング値の平均値Ｘ及び標準偏差σを算出し、回転数及び要求負荷をパラメータとして係数Ｕを決定し、ノックセンサの出力信号のサンプリング値が、前記平均値Ｘに、前記標準偏差σと前記係数Ｕとの積を加算した下記式（１）に示す閾値Ｊよりも大きい場合にノッキングが発生していると判定する制御を行う（例えば、特許文献１を参照）。

Ｊ＝Ｘ＋σ×Ｕ （１）
ところが、環境変化等により、要求負荷が同一であっても空燃比が異なる場合があり、その場合、燃焼の形態が変化することから、ノッキングが発生していない場合のノックセンサの出力信号のサンプリング値の分布も異なる。

特に、空燃比を理論空燃比近傍に設定するべくフィードバック制御を行っている場合には、空燃比を意図的に上下させていることもあり、ノックセンサの出力信号のサンプリング値が変化しやすくなる。一方、加速時等の過渡制御時においても、空燃比を変化させることに伴い、定常走行時と比較して、ノックセンサの出力信号のサンプリング値が変化する。

すなわち、従来の制御においては、空燃比を変化させる制御を行うと、ノッキングが発生していると判定するためのノックセンサの出力信号の大きさの閾値も変化し、ノッキング判定の精度が十分得られなくなるという不具合が存在する。

特開昭６１−２３２３８３号公報

本発明は以上の点に着目し、空燃比を変化させる制御を行った際にノッキング判定の精度が十分得られなくなるという不具合を解決することを目的とする。

すなわち、本発明の請求項１に係る内燃機関の制御装置は、ノックセンサから出力される信号のサンプリング値の平均値及び標準偏差を算出し、前記標準偏差に係数を乗じた値を前記平均値に加算した値としてノッキング判定閾値を決定する内燃機関の制御装置であって、前記係数は、回転数及び要求負荷をパラメータとして決定される基本値に、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値を加味することにより定めることを特徴とする。

このような制御装置の構成を採用すれば、前記係数に目標空燃比の高低に応じた補正量が加味されるので、空燃比を変化させる制御を行った場合においてもノッキング判定の精度を十分に確保できる。

また、本発明の請求項２に係る内燃機関の制御装置は、ノックセンサから出力される信号のサンプリング値の平均値及び標準偏差を算出し、前記標準偏差に係数を乗じた値を前記平均値に加算した値としてノッキング判定閾値を決定する内燃機関の制御装置であって、前記係数は、基本値に、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値を加味することにより定め、空燃比の理論空燃比からのリッチ側への遷移幅が大きくなるにつれ前記補正値をより絶対値が大きな負の値に設定することを特徴とする。このようなものであれば、目標空燃比をリッチ側に遷移させたことに伴いノッキングが発生していない場合のノッキングセンサの出力値が大きくなりノッキングの際のノッキングセンサの出力値との差が小さくなることを反映できるので、ノッキング判定の精度を好適に確保することができる。

本発明によれば、空燃比を変化させる制御を行った際にもノッキング判定の精度を十分得ることができるようになる。

本発明の一実施形態における内燃機関を概略的に示す図。 同実施形態における空燃比の理論空燃比からのリッチ側への遷移幅と補正値との対応を示す図。 同実施形態における制御装置が実行する処理を示すフローチャート。 同実施形態におけるノックセンサの出力のサンプリング値の確率密度を示す図。 同実施形態におけるノックセンサの出力のサンプリング値と空燃比との対応を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示した３気筒の内燃機関たるエンジン１００は、例えば自動車に搭載されるものである。このエンジン１００は、吸気系１、シリンダ２及び排気系５を備えている。吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応じて開閉するスロットル弁１１が設けてあり、そのスロットル弁１１の下流には、サージタンク１３を一体に有する吸気マニホルド１２が取り付けてある。シリンダ２上部に形成される燃焼室２３の天井部には、点火プラグ８が取り付けてある。さらに、吸気マニホルド１２の吸気ポート側端部には、燃料噴射弁３が取り付けてある。この燃料噴射弁３は、後述する電子制御装置４により制御される。これに対して、排気系５は、排気マニホルド５３、フロントＯ₂センサ５１、三元触媒５２、及びリアＯ₂センサ５４を備えている。

電子制御装置４は、マイクロコンピュータ４１と、メモリ４２と、入力インターフェース４３と、出力インターフェース４４とを備えて構成されている。マイクロコンピュータ４１は、メモリ４２に格納された、以下に説明する種々のプログラムを実行して、エンジン１００の運転を制御するものである。マイクロコンピュータ４１には、エンジン１００の運転制御に必要な情報が入力インターフェース４３を介して入力されるとともに、マイクロコンピュータ４１は、燃料制御弁３、点火プラグ８などに対して制御信号を、出力インターフェース４４を介して出力する。この電子制御装置４は、請求項中の制御装置として機能する。

具体的には、入力インターフェース４３には、サージタンク１３内の圧力を検出するための吸気圧センサ７１から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数を検出するための回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂ、車速を検出するための車速センサ７３から出力される車速信号ｃ、カムポジションセンサ７４から出力される気筒判別信号ｄ、スロットルバルブ１１の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ７５からのＬＬ信号ｅ、シリンダ２の外壁に取り付けられノッキングの判定の材料である気筒の振動の大きさ又はエンジン音の大きさを検知するノックセンサ７６から出力されるノッキング信号ｆ、フロントＯ₂センサ５１から出力される電圧信号ｇ、リアＯ₂センサ５３から出力される電圧信号ｈなどが入力される。

一方、出力インターフェース４４からは、点火プラグ８に対して点火信号ｍ、燃料制御弁３に対して燃料噴射信号ｎ等が出力される。

このような構成において、電子制御装置４は、吸気圧センサ７１から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ７２から出力される回転数信号ｂとを主な情報として、運転状態に応じて設定される係数を用いて燃料噴射量を演算し、燃料噴射量に対応する燃料噴射時間つまり燃料噴射弁３に対する通電時間を決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁３を制御して、燃料を吸気系１に噴射させる。このような燃料噴射制御自体は、この分野で知られているものを適用するものであってよい。

しかして本実施形態では、電子制御装置４に、ノックセンサ７６から出力されるノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値Ｘ及び標準偏差σを算出し、前記標準偏差σに係数Ｕを乗じた値を前記平均値Ｘに加算した値として以下の式（２）に基づきノッキング判定閾値Ｊを決定し、ノッキング信号のサンプリング値ｓがこのノッキング判定閾値Ｊを上回る場合にノッキングが発生していると判断するノッキング判定プログラムを内蔵している。ここで、前記係数Ｕは、以下に示す式（２）に示すように、回転数及び要求負荷をパラメータとして決定される基本値Ｕ_bに、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値Ｕ_aを加味することにより定める。サンプリング計測は、所定時間ごとに行う。また、サンプリング値の平均値Ｘ及び標準偏差σの算出は、直近の所定回数のサンプリング値ｓを対象として行う。

Ｊ＝Ｘ＋σ×Ｕ
＝Ｘ＋σ×（Ｕ_b＋Ｕ_a）（２）
ここで、前記補正値Ｕ_aは、図２に示すように、空燃比の理論空燃比からのリッチ側への遷移幅が大きくなるにつれ絶対値が大きな負の値となるように設定している。なお、空燃比の理論空燃比からのリッチ側への遷移幅は燃料噴射量の増量幅に一義的に対応するので、前記図２においては、実際には燃料噴射量の増量幅ＦＰＯＷＥＲと補正値Ｕ_aとの対応を示している。

以下、ノッキング判定プログラムによる制御の流れをフローチャートである図を参照しつつ説明する。

まず、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値Ｘ及び標準偏差σを算出する（Ｓ１）。次いで、回転数信号ｂが示す回転数及び吸気圧信号ａが示す要求負荷をパラメータとして基本値Ｕ_bを決定し（Ｓ２）、空燃比をパラメータとして補正値Ｕ_aを決定する（Ｓ３）。その後、上述した式（２）に基づきノッキング判定閾値Ｊを演算して決定し（Ｓ４）、直近のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓが前記ノッキング判定閾値Ｊを上回るか否かを判定する（Ｓ５）。直近のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓが前記ノッキング判定閾値Ｊを上回る場合には、ノッキングが発生しているものとしてノッキングを解消すべく点火時期を遅角する（Ｓ６）。

この制御を行った場合、例えば、理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀においては前記補正値Ｕ_aは０であるので、理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀近傍で空燃比のフィードバック制御を行っている場合、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値をＸ₁、標準偏差σ₁とすると、この場合のノッキング判定閾値Ｊ₁は、以下の式（３）により決定される。

Ｊ₁＝Ｘ₁＋σ₁×Ｕ_b （３）
一方、加速時において理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からリッチ側に遷移した状態におけるノッキング判定閾値Ｊ₂は、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値をＸ₂、標準偏差σ₂とすると、以下の式（４）により決定される。

Ｊ₂＝Ｘ₂＋σ₂×（Ｕ_b＋Ｕ_a） （４）
ここで、理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀近傍で空燃比のフィードバック制御を行っている場合（以下、空燃比フィードバック制御時と称する）のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの確率密度の分布を図４の実線、空燃比（Ａ／Ｆ）₁が理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からある程度リッチ側に遷移した状態の確率密度の分布を同図の一点鎖線にそれぞれ示すように、空燃比（Ａ／Ｆ）₁が理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からリッチ側に遷移した状態においては、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値Ｘ₂は空燃比フィードバック制御時の平均値Ｘ₁と比較して大きくなる。また、空燃比（Ａ／Ｆ）₁が理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からリッチ側に遷移した状態におけるノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの標準偏差σ₂は空燃比フィードバック制御時の標準偏差σ₁と異なる。より具体的には、図５に示すように、空燃比フィードバック制御時のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの標準偏差σ₁は、空燃比（Ａ／Ｆ）₁が理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からリッチ側に遷移した場合のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの標準偏差σ₂と比較して大きい。さらに、本実施形態では非線形の出力特性を有するフロントＯ₂センサ５１の出力に基づき理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀近傍にて空燃比のフィードバック制御を行っているので、実際の空燃比は図５における範囲Δ（Ａ／Ｆ）内で変動し、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの分布もこれに対応して変化する。これらの要素が相俟って、前記図４に示すように、その際の標準偏差σ₁はフィードバック制御を行っていない場合と比較して大きくなる。しかし、上述したように、空燃比フィードバック制御時の上述した式（２）における係数であるＵ₁は基本値Ｕ_bに等しいのに対して、理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からリッチ側に遷移した状態では、負の補正値Ｕ_aを基本値Ｕ_bに加算したものを係数Ｕ₂として決定した上でノッキング判定閾値Ｊ₂を決定しているので、この場合のノッキング判定閾値Ｊ₂は、結果として空燃比フィードバック制御時のノッキング判定閾値Ｊ₁と同一の値となる。すなわち、空燃比を変化させる制御を行った場合であっても、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの大きさに基づきノッキングが発生していると判定するための閾値Ｊを略一定に保つことができる。

以上に述べたように、本発明の内燃機関の制御によれば、ノッキング判定閾値Ｊを決定する際の係数Ｕは、回転数及び要求負荷をパラメータとする基本値Ｕ_bに、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値Ｕ_aを加味することにより定めているので、空燃比を変化させる制御を行った場合においても、空燃比に関わらず、ノッキング判定閾値Ｊをノック発生時のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの近傍に保つことができる。従って、空燃比を変化させる制御を行った場合においてもノッキング判定の精度を十分に確保できる。さらに、ノッキング判定の誤判断の発生を抑制することにより、内燃機関の破損や燃費悪化を回避し、また、ドライバビリティを確保できる。

また、理論空燃比（Ａ／Ｆ）₀からの空燃比のリッチ側への遷移幅が大きくなるにつれ前記係数の補正値Ｕ_aをより絶対値が大きな負の値に設定しているので、目標空燃比をリッチ側に遷移させたことに伴いノッキングが発生していない場合のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓが大きくなりノッキングの際のノッキング信号ｆのサンプリング値ｓとの差が小さくなることを反映できる。従って、ノッキング判定の精度をより好適に確保することができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、ノッキング信号のサンプリング値の平均値の算出の際、所定回数分のサンプリング値の単純平均を採用する代わりに、例えば直近のサンプリング値ほど比重が重くなるような加重平均を採用してもよい。

また、図５に示すように、空燃比を理論空燃比からリーン側に遷移させるリーンバーン制御を行った場合においては、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値Ｘは空燃比フィードバック制御時よりも小さく、標準偏差σは空燃比フィードバック制御時よりも大きくなるが、この場合においても、前記閾値Ｊを空燃比フィードバック制御時における値と略同一にすべく、式（２）の補正値Ｕ_aを設定するとよい。

さらに、図５に示すように、空燃比を理論空燃比から大幅にリッチ側に遷移させる制御を行った場合においても、ノッキング信号ｆのサンプリング値ｓの平均値Ｘは空燃比フィードバック制御時よりも小さく、標準偏差σは空燃比フィードバック制御時よりも大きくなるが、この場合においても、前記閾値Ｊを空燃比フィードバック制御時における値と略同一にすべく、式（２）の補正値Ｕ_aを設定するとよい。

加えて、上述した実施形態では、前記式（２）の基本値Ｕ_bを決定する際の要求負荷を示すパラメータとして吸気圧を使用しているが、スロットル開度等、運転者が要求する負荷を示す他のパラメータを採用してもよい。

その他、本発明の意義を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１００…エンジン（内燃機関）
３…燃料噴射弁
４…電子制御装置（制御装置）
５１…フロントＯ₂センサ

Claims (2)

1. ノックセンサから出力される信号のサンプリング値の平均値及び標準偏差を算出し、
   前記標準偏差に係数を乗じた値を前記平均値に加算した値としてノッキング判定閾値を決定する内燃機関の制御装置であって、
   前記係数は、回転数及び要求負荷をパラメータとして決定される基本値に、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値を加味することにより定めることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. ノックセンサから出力される信号のサンプリング値の平均値及び標準偏差を算出し、
   前記標準偏差に係数を乗じた値を前記平均値に加算した値としてノッキング判定閾値を決定する内燃機関の制御装置であって、
   前記係数は、基本値に、気筒に充填されるガスの空燃比の高低に応じた補正値を加味することにより定め、
   空燃比の理論空燃比からのリッチ側への遷移幅が大きくなるにつれ前記補正値をより絶対値が大きな負の値に設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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