JP7191148B2

JP7191148B2 - 内燃機関制御装置

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Publication number: JP7191148B2
Application number: JP2021044795A
Authority: JP
Inventors: 武史北尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2041-03-18
Also published as: US20220298986A1; JP2022143975A; US11473519B2

Description

本開示は、内燃機関制御装置に関するものである。

従来のノック制御装置では、内燃機関の吸気弁及び排気弁の少なくともいずれか一方の開閉タイミングに基づいて、ノック分析区間が変更されて周波数分析が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－５２６１４号公報

上記のような従来のノック制御装置では、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングと、ノッキングが発生するタイミングとが重なった場合に、ノッキングを検出することができなかった。

本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ノッキングをより正確に検出することができる内燃機関制御装置を得ることを目的とする。

本開示に係る内燃機関制御装置は、内燃機関の振動を検出するノックセンサからの信号が入力される電子制御装置を備え、電子制御装置は、ノックセンサからの信号を短時間フーリエ変換することにより、観測行列を生成し、ノッキング以外の機械振動が発生している状態におけるノックセンサからの信号を非負値行列因子分解することにより得たノイズ基底行列と、観測行列とを、半教師あり非負値行列因子分解することにより、観測行列を、ノッキングに伴う振動のデータであるノッキング振動データと、ノッキング以外の振動のデータである機械振動データとに分ける。

本開示の内燃機関制御装置によれば、ノッキングをより正確に検出することができる。

実施の形態１による内燃機関及び吸気系を示す概略の構成図である。図１の内燃機関の制御系を示すブロック図である。図２の電子制御装置の要部を示すブロック図である。図３の電子制御装置によるノック判定処理を示すフローチャートである。実施の形態２による電子制御装置の要部を示すブロック図である。図５のノック判定部の動作を示すフローチャートである。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による内燃機関及び吸気系を示す概略の構成図である。内燃機関１は、シリンダ２、ピストン３、点火プラグ４、点火コイル５、可変吸気バルブ機構６、インジェクタ７、クランクシャフト８、検出板９、クランク角センサ１０、及びノックセンサ１１を有している。

ピストン３は、シリンダ２内に設けられている。点火プラグ４は、シリンダ２に設けられている。また、点火プラグ４は、シリンダ２内の混合気に点火する。点火コイル５は、点火プラグ４に接続されている。また、点火コイル５は、点火プラグ４が放電するための高電圧を生成する。

可変吸気バルブ機構６は、吸気バルブを有している。吸気バルブは、シリンダ２の吸気ポートを開閉する。また、可変吸気バルブ機構６においては、吸気バルブの開閉タイミング又は吸気バルブのリフト量が制御可能になっている。

インジェクタ７は、シリンダ２の吸気ポートに設けられている。また、インジェクタ７は、吸気ポートに燃料を噴射する。なお、インジェクタ７は、シリンダ２内に燃料を直接噴射できるように配置されてもよい。

クランクシャフト８には、クランクを介してピストン３が連結されている。クランクシャフト８は、ピストン３の往復運動によって回転する。検出板９は、クランクシャフト８に固定されている。これにより、検出板９は、クランクシャフト８と一体に回転する。

クランク角センサ１０は、検出板９のエッジを検出する。ノックセンサ１１は、内燃機関１の振動を検出する。

吸気系２１は、吸気管２２、エアフローセンサ２３、電子制御式スロットルバルブ２４、開度センサ２５、サージタンク２６、及びインテークマニホールド圧センサ２７を有している。

吸気管２２の下流端は、シリンダ２の吸気ポートに接続されている。エアフローセンサ２３は、吸気管２２に設けられている。また、エアフローセンサ２３は、吸入空気流量を検出する。

電子制御式スロットルバルブ２４は、エアフローセンサ２３よりも内燃機関１側において、吸気管２２に設けられている。電子制御式スロットルバルブ２４の開度は、吸入空気流量を調整するために電子的に制御される。開度センサ２５は、電子制御式スロットルバルブ２４の開度を検出する。

なお、電子制御式スロットルバルブ２４の代わりに、図示しない機械式スロットルバルブが用いられてもよい。機械式スロットルバルブは、図示しないアクセルペダルにワイヤを介して繋がれる。

サージタンク２６は、電子制御式スロットルバルブ２４よりも内燃機関１側において、吸気管２２に設けられている。また、サージタンク２６は、空気の流量の増減を平準化する。インテークマニホールド圧センサ２７は、サージタンク２６内の圧力を検出する。

なお、エアフローセンサ２３及びインテークマニホールド圧センサ２７のいずれか一方が省略されてもよい。

図２は、図１の内燃機関１の制御系を示すブロック図である。内燃機関１及び吸気系２１を制御する内燃機関制御装置は、電子制御装置３１を備えている。

電子制御装置３１には、クランク角センサ１０からの信号、ノックセンサ１１からの信号、エアフローセンサ２３からの信号、開度センサ２５からの信号、及びインテークマニホールド圧センサ２７からの信号が入力される。

また、電子制御装置３１には、上記以外の各種センサ１２からの信号、及び他のコントローラ１３からの信号も入力される。

電子制御装置３１は、点火コイル５、可変吸気バルブ機構６、インジェクタ７、及び電子制御式スロットルバルブ２４を制御する。また、電子制御装置３１は、上記以外の各種アクチュエータ１４も制御する。

図３は、図２の電子制御装置３１の要部を示すブロック図である。図３では、電子制御装置３１におけるノック判定処理に関連する部分のみが示されている。

電子制御装置３１は、Ａ／Ｄ変換部３２、内蔵メモリ３３、及びプロセッサ３４を有している。ノックセンサ１１からの信号は、Ａ／Ｄ変換部３２に入力され、Ａ／Ｄ変換される。

内蔵メモリ３３には、ｍ行ｋ列からなるノイズ基底行列Ｆが保存されている。ノイズ基底行列Ｆは、予め学習により取得されている。

また、ノイズ基底行列Ｆは、ノッキング以外の機械振動が発生している状態におけるノックセンサ１１からの信号を非負値行列因子分解することにより得られたデータである。言い換えると、ノイズ基底行列Ｆは、ノッキングが発生しない点火時期におけるノックセンサ１１による観測値を、機械ノイズのみ存在するデータとして、非負値行列因子分解することにより導出したデータである。

プロセッサ３４は、機能ブロックとして、ＳＴＦＴ（Short-Time Fourier Transform）処理部３４ａ、抽出部としてのＳＳＮＭＦ（Semi-Supervised Non-negative Matrix Factorization）処理部３４ｂ、第１ｉＳＴＦＴ（Inverse Short-Time Fourier Transform）処理部３４ｃ、第２ｉＳＴＦＴ処理部３４ｄ、及びノック判定部３４ｅを有している。

ＳＴＦＴ処理部３４ａは、Ａ／Ｄ変換部３２からの観測信号を、ＳＴＦＴ、即ち短時間フーリエ変換する。これにより、ＳＴＦＴ処理部３４ａは、ｍ行ｎ列からなる周波数－時間－スペクトル特性、即ち音響データの周波数スペクトル特性を示す観測行列Ｚを生成する。観測行列Ｚは、ＳＳＮＭＦ処理部３４ｂに入力される。

観測行列Ｚの列に相当する時間方向のｎは、特定の時間ｔごとに、ＳＴＦＴ処理によって取り出される。但し、ｎを取り出すタイミングは、内燃機関１の特定のクランク角度間ごとでもよい。特定のクランク角度は、例えば、ＢＴＤＣ（Before Top Dead Center）２０°ＣＡ（Crank Angle）～ＡＴＤＣ（After Top Dead Center）８０°ＣＡである。

ＳＳＮＭＦ処理部３４ｂは、内蔵メモリ３３からノイズ基底行列Ｆを読み出す。また、ＳＳＮＭＦ処理部３４ｂは、ノイズ基底行列Ｆと観測行列Ｚとを、ＳＳＮＭＦ、即ち半教師あり非負値行列因子分解する。これにより、ＳＳＮＭＦ処理部３４ｂは、観測行列Ｚを、ノッキングに伴う振動のデータであるノッキング振動データと、ノッキング以外の振動に伴う振動のデータである機械振動データとに分ける。

具体的には、ＳＳＮＭＦ処理部３４ｂは、以下の式により、ノック基底行列Ｈと、ノックアクティベーション行列Ｕと、ノイズアクティベーション行列Ｇとを更新する。更新式としては、様々な式があるが、以下に示すのはユークリッドダイバージェンスに基づく更新式である。

なお、式中の「・」は行列の内積を表す。また、式の更新は、表記の上から順に行われる。また、ノック基底行列Ｈはｍ行ｋ列からなり、ノックアクティベーション行列Ｕとノイズアクティベーション行列Ｇとはそれぞれｋ行ｎ列からなる。また、「Ｔ」が付けられている行列は、転置行列である。

上式による値の更新は、予め定めた回数繰り返したり、下式のような誤差関数を定義して設定誤差を下回るまで繰り返したりしてもよい。

上記の関係性は、音響データの周波数スペクトルが様々な音の周波数スペクトルの合成で成り立っていることから成立している。観測行列をＺとして、その特性を行列Ｘと行列Ｙとの合成で表す式は、以下のようになる。

Ｚ＝Ｘ＋Ｙ

この説明では、Ｘをノイズ除去後観測行列とし、Ｙをノイズ観測行列とする。また、音響データの周波数スペクトル自体も、ＮＭＦ（Non-negative Matrix Factorization）、即ち非負値行列因子分解の考え方に基づき、基底行列とアクティベーション行列とに分解可能である。

ノッキング振動データであるノイズ除去後観測行列Ｘと、機械振動データであるノイズ観測行列Ｙとは、それぞれ以下の式で表すことができる。

上式のように、ノック基底行列Ｈとノックアクティベーション行列Ｕとを用い、内積を取ることによって、ノイズ除去後観測行列

が生成される。ここで、ノイズ除去後観測行列をＸではなく

と表記しているのは、真のノイズ除去後観測行列であるＸに対して、若干の誤差を残すためである。厳密には、ノイズ除去後観測行列には若干の誤差が含まれるが、そこまでの厳密性は必ずしも必要ではないとも言える。

第１ｉＳＴＦＴ処理部３４ｃは、ノイズ除去後観測行列を、ｉＳＴＦＴ、即ち逆短時間フーリエ変換する。これにより、第１ｉＳＴＦＴ処理部３４ｃは、ノイズ除去後観測信号を生成する。ノイズ除去後観測信号は、ノック判定部３４ｅに入力される。

第２ｉＳＴＦＴ処理部３４ｄは、ノイズ観測行列を、逆短時間フーリエ変換する。これにより、第２ｉＳＴＦＴ処理部３４ｄは、ノイズ観測信号を得る。

ノック判定部３４ｅは、ノッキング振動データであるノイズ除去後観測信号に基づいて、ノッキングに関する判定を行う。ノッキングに関する判定には、ノッキングの強度の判定、過大なノッキングの有無の判定等が含まれる。

ノック判定部３４ｅには、ノック判定閾値が設定されている。ノック判定閾値は、過大なノッキングの発生の有無の基準となる閾値である。ノック判定部３４ｅは、ノッキング振動のレベルがノック判定閾値よりも高い場合に、過大なノッキングが発生していると判定する。

電子制御装置３１は、ノック判定部３４ｅにおける判定結果に応じた指令、例えば点火時期遅角制御指令を外部に出力する。

図４は、図３の電子制御装置３１によるノック判定処理を示すフローチャートである。電子制御装置３１は、図３のノック判定処理を周期的に繰り返し実行する。

電子制御装置３１は、ステップＳ１０１において、ノックセンサ１１からの信号をＡ／Ｄ変換して観測信号を生成する。続いて、電子制御装置３１は、ステップＳ１０２において、観測信号を短時間フーリエ変換することにより、観測行列を生成する。

この後、電子制御装置３１は、ステップＳ１０３において、内蔵メモリ３３からノイズ基底行列を読み出す。そして、電子制御装置３１は、ステップＳ１０４において、ノイズ基底行列と観測行列とを、半教師あり非負値行列因子分解することにより、観測行列を、ノイズ除去後観測行列とノイズ観測行列とに分ける。

次に、電子制御装置３１は、ステップＳ１０５において、ノイズ除去後観測行列及びノイズ観測行列を、それぞれ逆短時間フーリエ変換することにより、ノイズ除去後観測信号及びノイズ観測信号を生成する。

この後、電子制御装置３１は、ステップＳ１０６において、ノイズ除去後観測信号に基づいて、ノッキングに関する判定を行う。そして、電子制御装置３１は、ステップＳ１０７において、判定結果に応じた指令信号を外部に出力し、処理を終了する。

このような内燃機関制御装置では、ノックセンサ１１からの信号を短時間フーリエ変換することにより、観測行列が生成される。また、ノイズ基底行列と観測行列とを、半教師あり非負値行列因子分解することにより、観測行列が、ノイズ除去後観測行列と、ノイズ観測行列とに分けられる。

このため、ノック判定を行う前段階において、入力信号から機械ノイズを除去することが可能となる。これにより、複雑な制御を必要とせず、シンプルな構成により、ノッキングをより正確に検出することができる。従って、異常燃焼によるノッキングの検出性を損なうことなく、ノッキング以外の機械振動による誤ったノック判定を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、ノイズ基底行列は、ノッキングが無い運転状態において予め学習することにより内蔵メモリ３３に格納されている。しかし、ノイズ基底行列は、ノッキングが無い運転状態のときに、随時学習することにより、更新されてもよい。この場合、非負値行列因子分解の手法により、ノッキング無し状態における観測行列Ｚ’を基底行列とアクティベーション行列とに分解し、基底行列を機械ノイズ周波数パターンの基底行列、即ちノイズ基底行列Ｆとする。

実施の形態２．
次に、図５は、実施の形態２による電子制御装置３１の要部を示すブロック図である。実施の形態２におけるノック判定部３４ｅは、第２ｉＳＴＦＴ処理部３４ｄからのノイズ観測信号に基づいて、ノッキングに関する判定結果を補正する。

例えば、ノック判定部３４ｅは、ノイズ観測信号に基づいて、ノック判定閾値を変更する。

具体的には、ノック判定部３４ｅは、ノイズ観測信号における振動レベル、即ちノイズレベルが高い場合に、ノイズレベルが低い場合よりも、ノック判定閾値を高く設定する。ノック判定部３４ｅには、ノイズレベルの比較基準となる１つ又は２つ以上のノイズ閾値が設定されている。

また、ノック判定部３４ｅは、ノイズレベルが、ノイズ閾値よりも高い場合に、判定結果を無効にしてもよい。

また、ノック判定部３４ｅは、ノイズ基底行列の学習が未完了の状態では、判定結果の補正を行わない。

図６は、図５のノック判定部３４ｅの動作を示すフローチャートである。ノック判定部３４ｅは、ステップＳ２０１において、ノイズ除去後観測信号に基づいて、ノッキングに関する仮判定を行う。この仮判定の処理は、図４のステップＳ１０６における処理と同様である。

続いて、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ２０２において、ノイズ基底行列の学習が完了しているかどうかを確認する。学習が完了していない場合、ノック判定部３４ｅは、仮判定の結果を、そのままノッキングに関する判定結果とする。そして、ノック判定部３４ｅは、実施の形態１と同様に、ステップＳ１０７において、判定結果に応じた指令信号を外部に出力し、処理を終了する。

ノイズ基底行列の学習が完了している場合、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ２０３において、ノイズ判定を行う。即ち、ノック判定部３４ｅは、ノイズレベルをノイズ閾値と比較する。

この後、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ２０４において、ノイズ判定の結果に基づいて、仮判定の結果を補正する必要があるかどうかを判定する。補正が不要であれば、ノック判定部３４ｅは、仮判定の結果を、そのままノッキングに関する判定結果とする。そして、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ１０７において、判定結果に応じた指令信号を外部に出力し、処理を終了する。

補正が必要であれば、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ２０５において、仮判定の結果を補正し、補正後の判定結果を、ノッキングに関する判定結果とする。そして、ノック判定部３４ｅは、ステップＳ１０７において、判定結果に応じた指令信号を外部に出力し、処理を終了する。

図５に示した電子制御装置３１の構成、及び図６に示したノック判定部３４ｅの動作を除いて、内燃機関制御装置の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

このような内燃機関制御装置では、ノイズ観測信号に基づいて、ノッキングに関する判定結果が補正される。このため、ノッキングをより正確に検出することができる。例えば、ノイズレベルが高いことにより、ノッキングが実際よりも高いと仮判定された場合にも、仮判定の結果が補正され、実際のノッキングの状態に近い判定結果を得ることができる。

これにより、例えば、点火時期遅角制御の遅角制御量が必要以上に大きくなることを抑制することができ、過剰な制御による内燃機関１の性能低下を抑制することができる。

また、ノック判定部３４ｅは、ノイズ基底行列の学習が未完了の状態では、判定結果の補正を行わない。このため、中途半端な学習データにより、誤ったノイズ判定を行うことを抑制することができる。

また、ノック判定部３４ｅは、ノイズ観測信号に基づいて、ノック判定閾値を変更する。このため、簡単な処理により、判定結果の補正を行うことができる。

また、ノック判定部３４ｅは、ノイズレベルが高い場合に、ノイズレベルが低い場合よりも、ノック判定閾値を高く設定する。このため、ノイズレベルが高いことによるノッキングの誤判定を抑制することができる。

例えば、ノイズレベルが低い状態を想定して、ノック判定閾値を低めに設定しておき、ノイズレベルがノイズ閾値よりも高い場合に、ノック判定閾値を高くする。これにより、通常の検出性を高く保ちつつ、誤検出を抑制することができ、ノッキングの検出漏れによる内燃機関１の損傷リスクを抑制することができる。

なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の方法により、観測信号から、ノイズ除去後観測信号とノイズ観測信号とを得た。しかし、実施の形態２において、ノックセンサ１１の信号から、ノッキング振動データと機械振動データとを抽出する方法は、特に限定されない。

また、実施の形態２において、ノッキングに関する判定結果の補正方法は、ノック判定閾値の変更に限らず、例えば、ノイズ観測信号のレベル自体を補正してもよい。

１内燃機関、１１ノックセンサ、３１電子制御装置、３４ｂＳＳＮＭＦ処理部（抽出部）、３４ｅノック判定部。

Claims

内燃機関の振動を検出するノックセンサからの信号が入力される電子制御装置
を備え、
前記電子制御装置は、
前記ノックセンサからの信号を短時間フーリエ変換することにより、観測行列を生成し、
ノッキング以外の機械振動が発生している状態における前記ノックセンサからの信号を非負値行列因子分解することにより得たノイズ基底行列と、前記観測行列とを、半教師あり非負値行列因子分解することにより、前記観測行列を、ノッキングに伴う振動のデータであるノッキング振動データと、前記ノッキング以外の振動のデータである機械振動データとに分ける内燃機関制御装置。
前記電子制御装置は、
前記ノッキング振動データに基づいて、ノッキングに関する判定を行うノック判定部
を有しており、
前記ノック判定部は、前記機械振動データに基づいて、ノッキングに関する判定結果を補正する請求項１記載の内燃機関制御装置。
前記ノック判定部は、前記ノイズ基底行列の学習が未完了の状態では、前記判定結果の補正を行わない請求項２記載の内燃機関制御装置。
内燃機関の振動を検出するノックセンサからの信号が入力される電子制御装置
を備え、
前記電子制御装置は、
前記ノックセンサからの信号を短時間フーリエ変換することにより、観測行列を生成し、
前記観測行列を、ノッキングに伴う振動のデータであるノッキング振動データと、ノッキング以外の振動のデータである機械振動データとに分け、
前記電子制御装置は、前記ノッキング振動データに基づいて、ノッキングに関する判定を行うノック判定部を有しており、
前記ノック判定部は、前記機械振動データに基づいて、ノッキングに関する判定結果を補正する内燃機関制御装置。
前記ノック判定部は、前記機械振動データに基づいて、過大なノッキングの発生の有無の基準となる閾値であるノック判定閾値を変更する請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関制御装置。