JP6695266B2

JP6695266B2 - 内燃機関の異常燃焼検出装置

Info

Publication number: JP6695266B2
Application number: JP2016239690A
Authority: JP
Inventors: 典宏新屋; 芳国倉島
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: WO2018105703A1; JP2018096240A

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）の異常燃焼を検出する異常燃焼検出装置に関する。

エンジンの異常燃焼現象には、例えば点火後に発生するノッキングと、点火前に発生するプレイグニッションがある。ノッキングの検出と対策は、従来から種々実施されているが、近年の過給直噴エンジンのダウンサイジングに伴う高圧縮比化や高過給化により、低回転・高負荷領域におけるプレイグニッションの問題が顕在化してきている。低回転・高負荷領域で発生するプレイグニッションはスーパーノックとも呼ばれ、急激な圧力上昇を伴い、エンジン破損に繋がる可能性がある。このため、ノッキング検出だけでなくプレイグニッション検出の必要性が高まってきている。

特許文献１には、１つまたは２つの振動検出センサの出力信号を、独立した周波数の２つのバンドパスフィルタに供給し、これらを異なる利得（ゲイン）のＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号に変換し、ノッキングとプレイグニッションのそれぞれ特異な振動成分を閾値と比較することで、ノッキングとプレイグニッションを検出する技術が記載されている。

特許３２３６７６６号公報

上記特許文献１の技術によれば、振動検出センサの出力信号を用いてノッキングとプレイグニッションの双方を検出できる。しかしながら、エンジンの低回転時には振動検出センサの信号レベルが小さく、高回転時には信号レベルが大きいため、十分なダイナミックレンジを確保するのが難しく、ノッキングの検出精度が低下する可能性がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ノッキングの検出精度を確保しつつ、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる内燃機関の異常燃焼検出装置を提供することにある。

本発明の内燃機関の異常燃焼検出装置は、内燃機関に設置された振動センサと、前記振動センサに対して割り当てられた、前記内燃機関の低回転時用の第１のＡ／Ｄ変換器、及び高回転時用の第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号が入力され、低回転時用と高回転時用の二系統で信号処理を行うことで、機関回転数に応じてノッキング検出処理を行う演算装置とを備え、前記振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換して、ゲインの高い信号を前記第１のＡ／Ｄ変換器を介して前記演算装置に入力し、ゲインの低い信号を前記第２のＡ／Ｄ変換器を介して前記演算装置に入力し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出する異常燃焼検出装置であって、前記機関回転数が低いときに、前記第２のＡ／Ｄ変換器から出力される信号を用いて、前記演算装置でノッキングと異なる異常燃焼を判定する、ことを特徴とする。

本発明では、ノッキング検出用の振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換した信号のうち、機関回転数が高い場合にはノッキングの検出に用いない非選択の信号、又はゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するようにしている。これによって、ノッキングの検出には振動センサの出力信号をゲインの異なる複数の信号に変換し、機関回転数に応じて選択することで精度を確保し、ノッキング検出に用いない非選択の信号、又はゲインの低い信号を利用して、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の異常燃焼検出装置の概略構成を示すブロック図である。プレイグニッションについて説明するためのもので、過給直噴エンジンのパフォーマンスカーブを示す特性図である。プレイグニッションについて説明するためのもので、スーパーノック発生時のシリンダ内圧力カーブを示す波形図である。図１に示した異常燃焼検出装置におけるプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間について説明するための図である。図１に示した異常燃焼検出装置の動作を示すフローチャートである。図５に続く動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の異常燃焼検出装置におけるノッキングの検出とプレイグニッションの検出に関係する要部を抽出して示している。図２及び図３は低回転・高負荷領域で発生するプレイグニッションについて説明するためのもので、図２は過給直噴エンジンのエンジンパフォーマンスカーブを示す特性図、図３はスーパーノック発生時のシリンダ内圧力カーブを示す波形図である。図４は図１の異常燃焼検出装置におけるプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間を示している。

本実施形態では、エンジン破損に至る虞があるプレイグニッションは、エンジンの低回転領域で発生すること、及び振動センサの信号強度はノッキングよりもプレイグニッションの方が大きいことに着目し、エンジン低回転時には不使用である高回転時用（低ゲイン）の信号処理部をプレイグニッションの検出に用いることで、基本的なシステム構成とノッキング検出精度を維持しつつ、ノッキングとプレイグニッションの双方を検出する。

図２に示すように、過給直噴エンジンでは、エンジン回転速度の上昇に伴って破線２０で示すように出力（パワー）が上昇するが、トルクは実線３０で示すように比較的低回転で最大トルクが発生し、高回転近くまで最大トルクを維持する。プレイグニッションは、斜線で囲んで示す低回転領域４０で発生しやすい。

車輌停止状態からの急加速や全開加速のような低回転・高負荷領域で発生するプレイグニッション（スーパーノック）は、図３に実線５０で示すように急激な圧力上昇と圧力変動を伴う。図３において、一点鎖線６０はエンジンを空回りさせたときのシリンダ内圧力変化を示し、破線７０は正常燃焼時の圧力変化、破線８０はノッキング（スパークノック）時の圧力変化をそれぞれ示している。
このように、低回転・高負荷領域でプレイグニッションが発生すると、エンジンに大きなダメージを与える可能性がある。なお、Ｔｉｇは点火タイミングである。

図４（ａ）に示すように、エンジンの筒内圧はピストンの上昇に伴って上昇していき、上死点の直前のタイミングＴｉｇで点火される。点火によって筒内圧は大きく上昇し、その後、徐々に低下していく。図４（ｂ）に示すように、プレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の一部がオーバーラップしているが、本実施形態では２つのＡ／Ｄ変換器の出力信号を選択することにより、ノッキングとプレイグニッションの双方を検出することができる。振動センサの出力信号は、図４（ｃ）に示すようにプレイグニッションの場合には点火の前に発生し、ノッキングの場合には点火の後に発生するので、プレイグニッション検出区間かノッキング検出区間かを判定することで、１つの振動センサの出力信号で双方の異常燃焼を検出できる。

すなわち、図１に示す異常燃焼検出装置は、エンジン１００に設置された振動センサ（ノックセンサ）１の出力信号ＮＳがＥＣＵ２００に入力され、このＥＣＵ２００により振動センサ１で検出された燃焼室の圧力振動に基づいてプレイグニッションとノッキングが検出され、エンジン１００が制御されて異常燃焼を抑制するものである。
エンジン１００には、例えばクランク角センサ２及び水温センサ３が更に設置されており、クランク角センサ２の出力信号ＮＥ、水温センサ３の出力信号ＴＳがそれぞれＥＣＵ２００に入力される。クランク角センサ２はエンジン回転数の検出に用いられ、水温センサ３はオイル起因のスーパーノックが低水温時に発生する可能性があるため、これを検出するために用いられる。

ＥＣＵ２００に入力された振動センサ１の出力信号ＮＳは、増幅器４で増幅されてＣＰＵ６の高回転時用信号入力部（低ゲイン）６ａに入力されるとともに、この振動センサ１の出力信号ＮＳが、増幅器４，５で増幅されてＣＰＵ６の低回転時用信号入力部（高ゲイン）６ｂに入力される。これら信号入力部６ａ，６ｂにはそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器７，８の入力端が接続されており、異なるゲインで増幅された振動センサ１の出力信号（アナログ信号）ＮＳがＡ／Ｄ変換器７，８によりそれぞれデジタル信号に変換されるようになっている。また、Ａ／Ｄ変換器７の出力は、エンジン回転数が高い場合にはノッキング検出処理部９ａに供給され、回転数が低い場合にはプレイグニッション検出処理部９ｃに供給される。ここでは、ノッキング検出処理部９ａ、プレイグニッション検出処理部９ｃ及び入力の切り換えをソフトウェアで実現しているが、各処理部を専用のＩＣチップやモジュールで形成し、トランジスタなどのスイッチ素子で切り換えるように構成すれば、ハードウェアで実現することもできる。

ＣＰＵ６は、ノッキングを検出する際には、エンジン回転数が低い場合には信号入力部６ｂから入力されたゲインの高い信号を選択し、エンジン回転数が高い場合には信号入力部６ａから入力されたゲインの低い信号を選択する。したがって、エンジンが低回転時にはＡ／Ｄ変換器８から出力されるデジタル信号がノッキング検出処理部９ｂに入力され、エンジンが高回転時にはＡ／Ｄ変換器７から出力されるデジタル信号がノッキング検出処理部９ａに入力され、演算装置９によりノッキング検出処理が実行される。ノッキング検出処理部９ｂもソフトウェアで実現しているが、ハードウェアで構成することもできる。

このように構成しているのは、ノッキングはエンジン１００が低回転時には信号レベルが小さく、高回転時には信号レベルが大きいという特性のためである。１つの振動センサ１に対して低回転時用（高ゲイン）と高回転時用（低ゲイン）に２つのＡ／Ｄ変換器７，８を割り当て、これらのＡ／Ｄ変換器７，８から出力されるデジタル信号を演算装置９に入力して、エンジン回転数に応じてノッキング検出処理を行う。このように、低回転時用と高回転時用の二系統で信号処理を行うことで、十分なダイナミックレンジを確保して高精度なノッキング検出を実現できる。

これに対し、エンジン破損に至るプレイグニッションの発生領域は、上述したように低回転領域に限られており、信号強度はノッキングに比べてプレイグニッションの方が大きい。そこで、エンジン１００の低回転時には、高回転時用（低ゲイン）のＡ／Ｄ変換器７をプレイグニッション検出用として用い、プレイグニッション検出処理を実行する。この際、Ａ／Ｄ変換器８はノッキング検出用として用い、ノッキング検出処理を実行する。このように、１つの振動センサ１で、異なるゲインの出力信号を用いてノッキングを検出するとともに、ノッキングと異なる異常燃焼であるプレイグニッションも検出できる。

また、ＣＰＵ６の信号入力部６ｃにはクランク角センサ２の出力信号ＮＥが入力され、信号入力部６ｄには水温センサ３の出力信号ＴＳが入力されて、これらの信号もデジタル信号に変換される。そして、クランク角センサ２の出力信号ＮＥにより、例えばエンジン回転数が検出され、Ａ／Ｄ変換器７の出力のノッキング検出処理部９ａとプレイグニッション検出処理部９ｃへの入力の切り換えに利用される。また、水温センサ３の出力信号ＴＳは、エンジン１００の状態や周囲環境の判断に利用される。
更に、ＥＣＵ２００は、記憶装置１１を備え、エンジン１００を制御装置１２で制御するための種々のプログラムやデータの初期値、ノッキング検出処理部９ａとプレイグニッション検出処理部９ｃを切り換えるための判断に用いるエンジン回転数、負荷及び水温の所定値などが記憶されており、学習値を記憶するようになっている。

演算装置９によるノッキング検出処理及びプレイグニッション検出処理によりエンジン１００の異常燃焼が検出されると、制御装置１２により異常燃焼を抑制するようにエンジン１００が制御される。例えば、ノッキングが発生していることが検出された場合には、点火タイミングの遅角化が行われる。また、プレイグニッションが発生していることが検出された場合には、ＥＴＢ（Electronic throttle body）の閉駆動や燃料カットが行われる。

次に、上記のような構成において、図５及び図６のフローチャートにより動作を説明する。エンジン１００に設置されたセンサ（本例ではクランク角センサ２）によってエンジン回転数が検出され（ステップＳ１）、エンジン回転数が記憶装置１１に予め記憶されている所定値と比較される（ステップＳ２）。エンジン回転数が所定値より小さいか等しい場合には、負荷が所定値と比較される（ステップＳ３）。負荷が所定値よりも大きいか等しい場合には、更に水温が所定値と比較される（ステップＳ４）。そして、水温が所定値よりも低いか等しい場合には、プレイグニッション検出区間か否かが判定される（ステップＳ５）。

ステップＳ５でプレイグニッション検出区間であると判定されると、プレイグニッション検出処理部９ｃが選択され（ステップＳ６）、高回転時用のＡ／Ｄ変換器７で振動センサ１の出力信号がＡ／Ｄ変換され（ステップＳ７）、このＡ／Ｄ変換結果が演算装置９に入力されてプレイグニッションの検出処理が実施される（ステップＳ８）。

プレイグニッションの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行う。プレイグニッションはノッキングに比べて電圧レベルが大きいので、プレイグニッションの検出は、出力信号ＮＳの電圧レベルのみでも判定可能である。また、プレイグニッションの検出は、周波数解析のみでも可能であり、特にエンジン１００の圧縮工程と膨張行程がオーバーラップする領域では、振動センサ１の出力信号の周波数に基づいて判定すると良い。プレイグニッションが検出されたか否かが判定され（ステップＳ９）、プレイグニッションが発生していることが検出されると、ＥＴＢの閉駆動や燃料カットなどが行われてプレイグニッションが抑制される（ステップＳ１０）。

一方、ステップＳ２でエンジン回転数が所定値より大きいと判定された場合には、ノッキング検出区間であるか否かが判定される（ステップＳ１１）。ノッキング検出区間であると判定されると、ノッキング検出処理が選択され（ステップＳ１２）、高回転時用のＡ／Ｄ変換器７で振動センサ１の出力信号がＡ／Ｄ変換され（ステップＳ１３）、演算装置９でノッキング検出処理が実施される（ステップＳ１４）。

ノッキングの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行う。また、電圧レベルと周波数解析の組み合わせではなく、電圧レベルのみ、あるいは周波数解析のみでもノッキングを検出可能である。この場合には、ノイズなどによる影響を受けやすくなる可能性があるので、例えば記憶装置１１にエンジン固有の背景ノイズを学習値として記憶させておき、この学習値で振動センサ１の出力信号ＮＳを補正するとよい。ノッキングが発生していることが検出されると（ステップＳ１５）、制御装置１２によりノッキング回避抑制が実施され、例えば点火タイミングの遅角化が行われる（ステップＳ１６）。
ステップＳ１１でノッキング検出区間でないと判定された場合、ステップＳ１５でノッキングが検出されない場合には異常燃焼の検出を終了してリターンする。

ステップＳ３で負荷が所定値より小さいと判定された場合、ステップＳ４で水温が所定値より高いと判定された場合、ステップＳ５でプレイグニッション検出区間ではないと判定された場合、及びステップＳ９でプレイグニッションが検出されない場合には、ノッキング検出区間であるか否かが判定される（ステップＳ１７）。ノッキング検出区間であると判定されると、ノッキング検出処理が選択され（ステップＳ１８）、低回転時用のＡ／Ｄ変換器８で振動センサ１の出力信号ＮＳがＡ／Ｄ変換され（ステップＳ１９）、演算装置９でノッキング検出処理が実施される（ステップＳ２０）。

ノッキングの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行う。また、電圧レベルと周波数解析の組み合わせではなく、電圧レベルのみ、あるいは周波数解析のみでもノッキングを検出可能である。この場合には、ノイズなどによる影響を受けやすくなる可能性があるので、例えば記憶装置１１にエンジン固有の背景ノイズを学習値として記憶させておき、この学習値で振動センサ１の出力信号ＮＳを補正するとよい。ノッキングが発生していることが検出されると（ステップＳ２１）、制御装置１２によりノッキング回避抑制が実施され、例えば点火タイミングの遅角化が行われる（ステップＳ２２）。
ステップＳ１７でノッキング検出区間でないと判定された場合、ステップＳ２１でノッキングが検出されない場合には異常燃焼の検出を終了してリターンする。

以上説明したように、本発明によれば、エンジン１００に設置された振動センサ１の出力信号ＮＳを、ゲインの異なる２つの信号に変換して取得し、エンジン回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、ノッキングの発生を検出する。そして、非選択の信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定する。このように、エンジン低回転時にノッキング検出用のＡ／Ｄ変換器７をプレイグニッション検出に用いることで、ノッキング検出用の振動センサ１と信号処理部（増幅器４、Ａ／Ｄ変換器７及び演算装置９）を利用してプレイグニッションを検出できる。したがって、ノッキング検出用の振動センサと信号処理部を利用して、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる。

以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

＜変形例１＞
例えば、上述した実施形態では、エンジン回転数、負荷及び水温を検出してプレイグニッションの検出とノッキングの検出を切り換えるようにした。しかしながら、エンジン回転数の高低のみで切り換えることもでき、エンジン回転数と負荷を組み合わせて切り換えるようにしても良い。更に、エンジン回転数、負荷及び水温以外の他のセンサの出力を考慮して切り換えるようにしても良い。

＜変形例２＞
また、図５のステップＳ２及びステップＳ３において、演算装置９でエンジン回転数が所定値よりも大きいか小さいか、あるいは負荷が所定値よりも大きいか小さいか判定するようにしたが、例えば記憶装置１１にエンジン回転数と負荷のマップを記憶しておき、このマップを用いて判定するように構成することもできる。

＜変形例３＞
更に、振動センサ１の出力信号を、増幅器４及び増幅器４，５でそれぞれ増幅し、Ａ／Ｄ変換器７，８でそれぞれＡ／Ｄ変換する用にしたが、増幅器４及び増幅器４，５の出力をそれぞれＤＳＰ（Digital Signal Processor）により処理することもできる。更にまた、１段の増幅器４と２段の増幅器４，５で増幅するようにしたが、低ゲインと高ゲインで増幅できれば、この構成に限られない。

＜変形例４＞
また、振動センサの出力信号をゲインの異なる２つ信号に変換して取得するようにしたが、ゲインの異なる３つ以上の信号に変換して取得し、エンジン回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、非選択の信号、又はゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するようにしても良い。

なお、上記実施形態及び変形例には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態及び変形例に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…振動センサ、２…クランク角センサ、３…水温センサ、４，５…増幅器、６…ＣＰＵ、６ａ…高回転時用信号入力部（低ゲイン）、６ｂ…低回転時用信号入力部（高ゲイン）、６ｃ，６ｄ…信号入力部、７，８…Ａ／Ｄ変換器、９…演算装置、９ａ，９ｂ…ノッキング検出処理部、９ｃ…プレイグニッション検出処理部、１１…記憶装置、１２…制御装置、１００…エンジン、２００…ＥＣＵ、ＮＳ…振動センサの出力信号、ＮＥ…クランク角センサの出力信号、ＴＳ…水温センサの出力信号

Claims

内燃機関に設置された振動センサと、
前記振動センサに対して割り当てられた、前記内燃機関の低回転時用の第１のＡ／Ｄ変換器、及び高回転時用の第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第１、第２のＡ／Ｄ変換器から出力されるデジタル信号が入力され、低回転時用と高回転時用の二系統で信号処理を行うことで、機関回転数に応じてノッキング検出処理を行う演算装置とを備え、
前記振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換して、ゲインの高い信号を前記第１のＡ／Ｄ変換器を介して前記演算装置に入力し、ゲインの低い信号を前記第２のＡ／Ｄ変換器を介して前記演算装置に入力し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出する異常燃焼検出装置であって、
前記機関回転数が低いときに、前記第２のＡ／Ｄ変換器から出力される信号を用いて、前記演算装置でノッキングと異なる異常燃焼を判定する、ことを特徴とする内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く且つ前記内燃機関に高負荷がかかった場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く、前記内燃機関に高負荷がかかり、冷却水温が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記振動センサの出力電圧、又は前記振動センサの異常燃焼固有の周波数を用いる、ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングの判定は、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行し、前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、電圧レベルによって判定する、ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、更に前記内燃機関の圧縮工程と膨張行程がオーバーラップする領域では、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行する、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
前記振動センサの出力信号を、複数の信号に変換する処理は、ゲインの異なる増幅器の出力をそれぞれＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換するものである、又はゲインの異なる増幅器の出力をそれぞれＤＳＰ（Digital Signal Processor）により処理するものである、ことを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。