JP6762186B2

JP6762186B2 - 内燃機関制御装置

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Publication number: JP6762186B2
Application number: JP2016192523A
Authority: JP
Inventors: 一浩押領司; 赤城　好彦; 好彦赤城; 浅野　誠二; 誠二浅野
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2020-09-30
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: WO2018061473A1; EP3521601A1; EP3521601A4; JP2018053844A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、例えばノックセンサで検出した信号を用いてノッキングの発生を精緻に検出する内燃機関の制御装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、燃費や排気に関する規制が強化され、そのような規制は今後も益々強くなると考えられている。特に、燃費に関する規制は、近年の燃料価格の高騰、地球温暖化への影響、エネルギー資源枯渇等の問題により、極めて関心の高い事項である。

このような状況下において、例えば自動車産業では、車両の燃費性能や排気性能の向上を目的とした様々な技術開発が進められている。そのような燃費性能の向上を目的とした開発技術の一つとして、例えば、内燃機関の圧縮比を上げる高圧縮比化技術が挙げられる。また、排気性能の向上を目的とした開発技術の一つとして、例えば、吸気行程時に複数回に分けて燃料を噴射し、一回当たりの燃料噴射量を低減してＰＮ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＮｕｍｂｅｒ）を低減する多段噴射技術が挙げられる。

ところで、上記した高圧縮比化技術では、内燃機関の圧縮比を上げると熱効率が向上して燃費が改善するものの、燃焼室内の温度が上昇してノッキングが発生し易くなることが知られている。

そのため、従来の内燃機関においては、ノッキング発生時に特定の周波数信号レベルが上昇することを利用して、シリンダーブロックに振動型のノックセンサを取り付け、ノックセンサから出力される所定の期間（ノックウインドウ）の信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）解析してノッキングの発生を検出している。

例えば、特許文献１には、ノックセンサの出力信号から抽出した複数の周波数帯の振動波形成分の重み付け平均値をノック強度として定義し、かつ、重み付け係数を周波数の高い成分ほど大きくすることで、振動音を適切に評価し、ノック強度を検出する技術が開示されている。

特開平５−７９４４０号公報

ノッキングという現象は、点火プラグにおける火花放電を起点に始まる火炎伝播による燃焼進行とは別に、まだ火炎の到達していない領域（未燃領域）にて生じる自着火を起点に発生する異常燃焼である。通常、未燃領域で発生した自着火は空間的な圧力勾配を形成するため、筒内の圧力波伝播を招く。この結果伝播する圧力波が、エンジン筒内壁面への衝突した再に、エンジンブロックへの撃力として働き、エンジンブロックの振動を招き、ノックセンサの検出値として現れる。本来、検出したいノック強度は、筒内の圧力波の強度になる。特許文献１では、ブロックの振動結果として現れる音の強度を適切に評価することができるが、エンジン筒内の圧力波の強度を評価することはできない。
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ノックセンサ信号の特徴周波数成分に基づき、ノック発生時の筒内圧力波強度を検出することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明はノックセンサを備える内燃機闘を制御する内燃機関制御装置において、エンジンブロックの特性に基づく筒内の圧力波強度とノックセンサ出力の関係から気筒毎に選定された特徴周波数の対応関係に基づいて、前記ノックセンサ出力から抽出した前記ノックセンサの周波数毎のパワースペクトルまたは特徴周波数の信号強度を、前記筒内の圧力波強度に対応する特徴周波数の信号強度に補正する信号補正部と、前記信号補正部により補正された特定周波数の信号強度に重み付け加算して前記筒内の圧力波強度を演算する演算部と、を備える。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、エンジンブロックの特性に基づきノックセンサ信号を補正し、これに基づきノック強度を検出することで、エンジンブロックの振動を引き起こす圧力波の強度を推定することが可能になる。このため、ノックの検出精度向上や、エンジンブロックへの影響を考慮した上での制御が可能になる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態が適用された内燃機関の全体構成を示した全体構成図。図１に示す制御装置の内部構成を示したブロック図。図１に示す制御装置へ入力されるノックセンサ信号からノック周波数強度を演算するまでの処理構成を示したブロック図。圧力センサ信号の周波数成分とノックセンサ信号の周波数成分の一例を示した図ノックセンサ信号強度と筒内圧に基づき定義した圧力波強度の線形関係の一例を示した図。ノック発生気筒の違いによるノックセンサ信号の差を示した図冷却水温度の違いによるノックセンサ信号の差を示した図本発明に係る内燃機関の制御装置によるノック強度検出フローの図。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態が適用された内燃機関の全体構成を示したものであり、例えば、火花点火式燃焼を実施する自動車用４気筒ガソリンエンジンを示したものである。

図示するエンジン（内燃機関）１００は、吸気管６の適宜の位置に、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気管６の圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気温度を計測する吸気温度センサ１５と、吸気管６内の圧力を計測する吸気圧センサ２１と、を備えている。

また、エンジン１００は、各吸気管６と連通する気筒（♯１〜♯４）毎に、各気筒の燃焼室１２の内部に燃料を噴射する燃料噴射装置（筒内直接噴射用インジェクタもしくは単にインジェクタともいう）３と、点火エネルギーを供給する点火システム４と、を備えている。また、エンジン１００は、シリンダヘッド７の適宜の位置に、エンジン１００の冷却水温度を計測する冷却水温度センサ１４を備えると共に、気筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ可変装置５ａと気筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ可変装置５ｂとから構成される可変バルブ５を備えている。ここで、可変バルブ５は、吸気バルブ可変装置５ａや排気バルブ可変装置５ｂの位相角を検出する位相角センサ（不図示）を有しており、後述するＥＣＵ２０によって可変バルブ５（特に吸気バルブ可変装置５ａや排気バルブ可変装置５ｂの位相角）を調整することにより、♯１から♯４までの全気筒の吸気量およびＥＧＲ量を調整することができる。

また、エンジン１００の燃料噴射装置３には、当該燃料噴射装置３に高圧燃料を供給するための高圧燃料ポンプ１７が燃料配管を介して接続され、この燃料配管には、燃料圧力を計測する燃料圧力センサ１８が設けられており、エンジン１００のクランク軸（不図示）には、その回転角度を算出するクランク角度センサ１３が設けられており、また、エンジン１００のシリンダブロック（エンジンブロック）には、エンジン１００の振動を検出するノックセンサ２５が設けられている。

さらに、エンジン１００は、排気管８の適宜の位置に、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって三元触媒１０の上流側で排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって三元触媒１０の上流側で排気温度を計測する排気温度センサ１１と、を備えている。

エンジン１００は、当該エンジン１００の燃焼状態を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ２０）を備えている。上記したエアフローセンサ１と空燃比センサ９と冷却水温度センサ１４と吸気温度センサ１５と排気温度センサ１１とクランク角センサ１３と燃料圧力センサ１８と吸気圧センサ２１と点火システム４と可変バルブ５とノックセンサ２５とから得られる信号が、ＥＣＵ２０に送信される。また、ＥＣＵ２０には、アクセルペダルの踏み込み量、すなわちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６から得られる信号も送信される。

ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６から得られる信号に基づいてエンジン１００への要求トルクを演算する。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３から得られる信号に基づいてエンジン１００の回転速度を演算する。また、ＥＣＵ２０は、上記した各種センサの出力から得られる信号に基づいてエンジン１００の運転状態を演算すると共に、空気流量、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度、可変バルブの作動量、燃料圧力等といったエンジン１００に関する主要な作動量を演算する。

ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は、開弁パルス信号に変換されて燃料噴射装置３に送信される。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように生成された点火信号が、ＥＣＵ２０から点火システム４へ送信される。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送信され、可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として可変バルブ５へ送信され、燃料圧力は、高圧燃料ポンプ駆動信号として高圧燃料ポンプ１７へ送信される。

ＥＣＵ２０から燃料噴射装置３へ送信された開弁パルス信号に基づいて、吸気管６から吸気バルブ（不図示）を介して燃焼室１２内に流入した空気に対し燃料噴射装置３から所定量の燃料が噴射されることにより、混合気が形成される。燃焼室１２内に形成された混合気は、点火信号に基づいて所定の点火時期で点火システム４の点火プラグ４ａ（図２参照）から発生される火花により爆発され、その燃焼圧によりピストン（不図示）が押し下げられてエンジン１００の駆動力が発生される。爆発後の排気ガスは、排気管８を介して三元触媒１０に送出され、排気ガスの排気成分が三元触媒１０内で浄化されて外部へ排出される。

図２は、図１に示すＥＣＵ２０（制御装置）の内部構成を示したものである。図示するＥＣＵ２０は、主に、入力回路２０ａと、入力ポートおよび出力ポートからなる入出力ポート２０ｂと、演算処理内容を記述した制御プログラムが格納されるＲＯＭ２０ｄと、前記制御プログラムに従って演算処理するためのＣＰＵ２０ｅと、前記制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値を格納するＲＡＭ２０ｃと、各アクチュエータの作動量を示す値に基づいて各アクチュエータを制御する駆動回路２０ｆ〜２０ｋと、を備えている。

図示するように、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａには、エアフローセンサ１、点火システム４、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６、燃料圧力センサ１８、吸気圧センサ２１、ノックセンサ２５等の出力信号が入力される。なお、入力回路２０ａに入力される入力信号はこれらに限定されない。入力回路２０ａに入力された各センサの入力信号は、入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送信され、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、ＣＰＵ２０ｅでＲＯＭ２０ｄに予め格納された制御プログラムに従って演算処理される。

ＣＰＵ２０ｅで制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送信され、各駆動回路（電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊ、高圧燃料ポンプ駆動回路２０ｋ等）を介して各アクチュエータ（電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火システム４、可変バルブ５、高圧燃料ポンプ１７等）に送信される。なお、ＥＣＵ２０内の駆動回路は、これらに限定されない。

ここで、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａには、上記したようにノックセンサ２５の出力信号が入力されており、ＥＣＵ２０は、その入力信号（ノックセンサ信号）に基づいて、ＣＰＵ２０ｅでＲＯＭ２０ｄに予め格納された制御プログラムに従ってエンジン１００のノッキングを検出する。ＥＣＵ２０は、エンジン１００のノッキング発生を検出した場合には、点火出力回路２０ｈを介して点火システム４へ制御信号を送信してその点火時期を制御する。

次に、ＥＣＵ２０によるエンジン１００のノッキング検出方法について、図３〜図８を参照して概説する。
図３は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ２０）へ入力されるノックセンサ信号からノック周波数強度を演算するまでの処理構成を示したブロック図である。ノックセンサによって検出された信号は、ノックセンサ信号補正部にて、ブロックの影響を考慮した補正を行う。ここでは、気筒ごとに変換マップを持ち、かつ、各気筒において水温ごとに変換マップを持つことを示す。ノックセンサ信号補正部にて、ブロックの影響を考慮した補正を行った後、ノック強度演算部にて、ノック強度（圧力波強度）を計算する。

図４は、ノッキングの発生したサイクルにおける圧力センサ出力とノックセンサ出力の周波数分析結果を示した図である。図４に示すとおり、振動の根本原因である圧力波の特徴周波数（Ｐｆ１、Ｐｆ２、Ｐｆ３）とブロックの振動として検出されるノックセンサ信号の特徴周波数（Ｋｆ１、Ｋｆ２、Ｋｆ３）は必ずしも一致しない。これは、圧力波の壁面への衝突時にエンジンブロックに入力される撃力の結果が、エンジンブロックの特性を通過し、ノックセンサ出力として現れるためである。また、周波数成分の値の関係も異なる。つまり、ノックセンサでは、中心の特徴周波数であるＰｆ２にくらべ、これを挟む位置にある特徴周波数Ｐｆ１、Ｐｆ３の信号強度が小さい。

この結果は、ノックセンサにおいて中心の周波数であるＫｆ２の強度がこれを挟む位置にある特徴周波数Ｋｆ１、Ｋｆ３の強度が大きいことがわかる。このような、特徴周波数のずれや信号の周波数成分の大小関係も変化する。これらの変化は、筒内圧とノックセンサの間を繋ぐエンジンブロックの存在により引き起こされる。このため、このような筒内圧とノックセンサ出力の関係からエンジンブロックの与える影響を評価しこれを用いることで、容易にノックセンサ信号から筒内圧力の特性を再現できる。

図５は、ノックセンサ信号の特徴周波数の信号値と圧力センサ信号の特徴周波数の信号値の間の線形関係を示す。図５は、図４における周波数Ｐｆ１、Ｐｆ２の圧力センサ信号の強度Ｐ（Ｐｆ１）、Ｐ（Ｐｆ２）及び周波数Ｋｆ１、Ｋｆ２のノックセンサ信号の強度Ｋ（Ｋｆ１）、Ｋ（Ｋｆ２）を用いて、次の関係を仮定し、各サイクルの値をプロットしたものである。
Ｐ（Ｐｆ１）＋Ｐ（Ｐｆ２）＝Ｋ（Ｋｆ１）＋２Ｋ（Ｋｆ２）
これは、エンジンブロックによる特徴周波数の変化に合わせて、対応する信号の周波数を補正（Ｐ（Ｐｆ１）とＫ（Ｋｆ１）を対応、Ｐ（Ｐｆ２）とＫ（Ｋｆ２）で周波数の異なる信号で対応）し、さらに減衰も考慮し、ノックセンサ値の高周波成分の重みを大きくすることで、ノックセンサ信号から筒内圧強度を再現できることを示す。

図６は、ノックの発生した気筒毎のノックセンサ信号の特徴周波数を示す図である。図６に示すとおり、たとえば周波数Ｋ２は第２気筒のみに見られる特徴周波数であり、周波数Ｋ７は第１気筒のみに見られる特徴周波数である。このようにノックが発生した気筒からノックセンサまでの特性は、気筒ごとに異なるため、図３の信号補正部では、例えば気筒毎に選定する特徴周波数を変更することで、ブロックの特性を考慮した信号補正を実施する必要が有る。このように気筒別に対応したブロックの特性を考慮することで、圧力から振動への変換を適切に扱うことが可能になり、圧力波強度をより精緻に予測することができる。

図７は、ノックの発生した際の水温毎のノックセンサ信号の特徴周波数を示す図である。図７に示すとおり、たとえば周波数Ｋ２、Ｋ５、Ｋ８は低水温時のみ、周波数Ｋ３、Ｋ５は高水温時のみに見られる特徴周波数である。このようにノックが発生した時期における水温は、筒内温度の変化による圧力波の特徴周波数の変化や、ブロックの特性を変化させる。この結果、ノックセンサの信号として現れる特徴周波数が変化する。図３の信号補正部では、たとえば水温ごとに選定する特徴周波数を変更することで、水温によって変化するブロックの特性を考慮した信号補正を実施する必要が有る。このように水温に対応したブロックの特性を考慮することで、圧力から振動への変換を適切に扱うことが可能になり、圧力波強度をより精緻に予測することができる。

図８は、図３のノックセンサ信号補正部及びノック強度演算部における処理のフローチャートを示す。入力された信号をステップＳ８０１にてノックセンサ信号周波数解析を実施する。たとえばここでは、周波数解析としてフーリエ変換を用いて周波数毎のパワースペクトルを用いても良いし、バンドパスフィルタを用いて特徴周波数の信号を抽出しても良い。ＥＣＵの得手不得手に応じて選択すればよく、これに合わせて図３のノックセンサ信号補正部及びノック強度演算部の具体的な処理方法を規定すればよい。次にステップＳ８０２に進み、エンジンブロックの特性に基づき、ノックセンサ信号を変換する。これは、エンジンブロックの特性を考慮し、各周波数成分の信号強度を増減させる処理となる。さらにステップＳ８０３に進み、特定周波数の信号強度の重み付け加算しノック強度を得る。以上の処理によりエンジンブロックの特性を考慮し、ノックセンサ信号から圧力波強度を求めることが可能になり、より精緻なノック強度予測が可能になる。

以上の通り、本実施例では、ノックセンサ２５を備える内燃機関（エンジン１００）を制御する内燃機関制御装置（ＥＣＵ２０、ＣＰＵ２０ｅ）において、ノックセンサ２５の周波数毎の信号をエンジンブロックの特性に基づき補正する信号補正部と、信号補正部により補正された周波数毎の信号から圧力波強度を演算する演算部と、を備えた。そして、ＣＰＵ２０ｅの信号補正部では、検出対象とする気筒に応じて補正方法を変更することが望ましい。またＣＰＵ２０ｅの信号補正部では、内燃機関（エンジン１００）の冷却水の変化に応じて補正方法を変更することが望ましい。またＣＰＵ２０ｅの演算部は周波数毎の信号としてパワースペクトル、または、特徴周波数の信号強度を用いることが望ましい。

また、本実施例の内燃機関制御装置（ＥＣＵ２０、ＣＰＵ２０ｅ）はノックセンサ２５の周波数毎の信号をエンジンブロックの特性に基づいて、圧力波強度を演算する演算部を備えた。そして、図８のステップＳ８０４では、トルク、回転数に基づいて圧力波強度上限、下限値を計算する。

そして、図８のステップＳ８０５に示すように、計算ＣＰＵ２０ｅは演算部により演算された圧力波強度（ノック強度）が下限値より小さい場合、点火プラグの点火タイミングを進角するように制御する。図８のステップＳ８０５で、Ｎｏであれば、ステップＳ８０６に進み、演算部により演算された圧力波強度（ノック強度）が上限値より大きい場合（ステップＳ８０６でＮｏの場合）、点火プラグの点火タイミングを遅角するように制御する。

図８のステップＳ８０６で、Ｙｅｓであれば、ステップＳ８０７に進み、演算部により演算された圧力波強度（ノック強度）が下限値の近傍となっている場合（ステップＳ８０７でＹｅｓの場合）、点火プラグの点火タイミングの進角量をほぼ一定に維持するように制御する。ステップＳ８０７で、Ｎｏであり、演算部により演算された圧力波強度が下限値より大きく上限値より小さい場合、本実施例のＣＰＵ２０ｅは内部ＥＧＲ率を低減させるように制御するＥＧＲ制御部を備えている。

以上のように制御することで、ノック発生を抑制しつつ、燃費向上を図るように内燃機関を制御することが可能である。

１…エアフローセンサ
２…電子制御スロットル
３…燃料噴射装置
４…点火システム
５…可変バルブ
５ａ…吸気バルブ可変装置
５ｂ…排気バルブ可変装置
６…吸気管
７…シリンダヘッド
８…排気管
９…空燃比センサ
１０…三元触媒
１１…排気温度センサ
１２…燃焼室
１３…クランク角度センサ
１４…冷却水温度センサ
１５…吸気温度センサ
１６…アクセル開度センサ
１７…高圧燃料ポンプ
１８…燃料圧力センサ
２０…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）（制御装置）
２０ａ…入力回路
２０ｂ…入出力ポート
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
２０ｅ…ＣＰＵ
２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路
２０ｇ…インジェクタ駆動回路
２０ｈ…点火出力回路
２０ｊ…可変バルブ駆動回路
２０ｋ…高圧燃料ポンプ駆動回路
２０ｍ…ノック検出部（検出部）
２０ｎ…ノック回避制御部
２１…吸気圧センサ
２５…ノックセンサ
１００…エンジン（内燃機関）

Claims

エンジンの振動を検出するノックセンサを備える内燃機関を制御する内燃機関制御装置において、
エンジンブロックの特性に基づく筒内の圧力波強度とノックセンサ出力の関係から気筒毎に選定された特徴周波数の対応関係に基づいて、前記ノックセンサ出力から抽出した前記ノックセンサの周波数毎のパワースペクトルまたは特徴周波数の信号強度を、前記筒内の圧力波強度に対応する特徴周波数の信号強度に補正する信号補正部と、
前記信号補正部により補正された特徴周波数の信号強度に重み付け加算して前記筒内の圧力波強度を演算する演算部と、
を備えることを特徴とする内燃機関制御装置。
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、前記信号補正部では、前記内燃機関の冷却水の水温の変化に応じて前記特徴周波数を変更することを特徴とする、内燃機関制御装置。
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
前記演算部により演算された圧力波強度が下限値より小さい場合、点火プラグの点火タイミングを進角するように制御する制御部を備えたことを特徴とする内燃機関制御装置。
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
前記演算部により演算された圧力波強度が上限値より大きい場合、点火プラグの点火タイミングを遅角するように制御する制御部を備えたことを特徴とする内燃機関制御装置。
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
前記演算部により演算された圧力波強度が下限値の近傍となっている場合、点火プラグの点火タイミングの進角量をほぼ一定に維持するように制御する制御部を備えたことを特徴とする内燃機関制御装置。
請求項１に記載の内燃機関制御装置において、
前記演算部により演算された圧力波強度が下限値より大きく上限値より小さい場合、内部ＥＧＲ率を低減させるように制御するＥＧＲ制御部を備えた内燃機関制御装置。