JPH04339157A

JPH04339157A - ノッキング検出装置

Info

Publication number: JPH04339157A
Application number: JP13691891A
Authority: JP
Inventors: Kouzou Katougi; 工三加藤木; Takanobu Ichihara; 隆信市原; Hiroatsu Tokuda; 博厚徳田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-05-14
Filing date: 1991-05-14
Publication date: 1992-11-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のノッキング
検出装置に係り、特に自動車用ガソリンエンジンに好適
なノッキング検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンにノッキング（ノックともいう
）が発生すると、特有の共鳴周波数成分を持つた振動が
発生する。そこで、この振動をノックセンサで検出する
ことにより、ノッキングの発生を判定することができる
。

【０００３】そこで、従来のノッキング検出装置では、
バンドパスフィルタを用いて、ノックセンサからの信号
に含まれる周波数成分のうち、最も発生頻度の高い特定
の周波数成分のみを取り出すようにし、この取り出した
信号のレベルの大小によってノッキングの有無を判断し
ていた。なお、これに関連した装置としては、特開昭６
０−２０４９６９号公報に記載のものを挙げることがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ノッ
キングには複数の振動モードが存在する点について配慮
がされておらず、ノッキング発生時の振動モードのいく
つかを雑音として処理していたために、ノッキング検出
能力に限界があり、ノッキング検出が可能なエンジンの
運転領域が制限され、確実なノッキング検出の点で問題
があつた。

【０００５】すなわち、従来の装置では、バンドパスフ
ィルタを用いてノックセンサ信号に含まれる信号のうち
から特定の周波数のみを検出処理しているが、実際のノ
ッキング現象では、決して単一周波数成分のみが発生す
るのではなく、複数のノッキング振動モードが存在する
。

【０００６】つまり、図６に示すように、エンジンのシ
リンダは、その名の通り円筒状なので、円筒内の振動モ
ードとして半径方向と円周方向に圧力変動の節（区切り
線）と腹（＋、−）とが存在し、このため、ノッキング
によるシリンダ内の共鳴現象として５種の周波数成分が
現われる。しかるに従来の技術では、これらの周波数の
うち、最も共鳴しやすい特定の周波数だけを取り出して
いたことになり、このためノッキング検出能力に限界が
生じてしまうのである。

【０００７】また、ノッキング振動の周波数は、燃焼室
内のガスの性状によっても変化してしまう。つまり、シ
リンダの共鳴波長は、共鳴空洞となる燃焼室の形状で決
定されるが、燃焼温度や圧縮比が変わると燃焼ガス中で
の音速も変わり、周波数が変化してしまうのである。

【０００８】この点に関しては、従来のバンドパスフィ
ルタを用いた技術では、このフィルタの帯域を広くする
ことにより対応が可能であるが、この結果、ノイズも拾
い易くなり、やはりノッキングの確実な検出の点で問題
があった。

【０００９】本発明の目的は、エンジンの運転状態のい
かんにかかわらず、常に確実にノッキングの判定が可能
で、精度の良いノッキング制御が容易に行なえるように
したノッキング検出装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、ノックセンサの出力に基づいて、所定の複数のノッ
ク振動モードの夫々による信号成分を独立に抽出する周
波数成分抽出手段を設け、これら複数の信号成分の総合
判定によりノッキング発生の有無を判定するようにした
ものである。

【００１１】また、このとき、エンジンの運転状態をと
りこんで燃焼室内のガス中での音速を推定する手段を設
け、上記周波数成分抽出手段の周波数をずらすようにし
たものである。

【００１２】

【作用】振動検出手段により燃焼室内で生じるノッキン
グ振動の全モードをとらえることができ、周波数成分抽
出手段により、各振動モードを分離して検出することが
できる。そして、各振動モード毎にノック判定を行なう
ことで、従来雑音成分として除いていた信号もノック検
出にとりこむことができるので、ノッキング検出能力を
向上できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明によるノッキング検出装置につ
いて、図示の実施例により詳細に説明する。図５は本発
明の一実施例が適用されているエンジン制御装置の構成
図で、図において、１はエンジン制御ユニット、２はエ
ンジンのシリンダ、３は吸気管、４は排気管、５は絞り
弁、６は燃料噴射弁、７は点火プラグ、８は点火コイル
、９はディストリビュータ、１０は吸入空気流量を計測
するエアフローセンサ、１１は気筒判別用のレファンス
センサ、１２は回転角を測るポジションセンサ、１３は
絞り弁を検出する開度センサ、１４は空燃比を検出する
Ｏ２センサ、１５Ａはノック振動センサ、１５Ｂは座圧
センサ、そして１５Ｃは筒内圧センサである。

【００１４】エンジン制御ユニット１はマイコンを含む
各種の電子回路で構成され、吸入空気流量計１０、基準
角センサ１１、位置角センサ１２、絞り弁開度センサ１
３、それに空燃比センサ１４など、エンジンの運転状態
を知るのに必要な各種のセンサからの信号を取り込み、
所定の演算処理により各種の駆動信号を作成し、燃料噴
射弁６や点火コイル８を動作させ、エンジンを制御する
。

【００１５】ノック振動センサ１５Ａと座圧センサ１５
Ｂ、それに筒内圧センサ１５Ｃは、いずれもノック信号
検出手段として設けられているもので、まず、ノック振
動センサ１５Ａはエンジンのシリンダブロックの燃焼室
の近傍に取り付けられ、エンジンの燃焼に伴う振動を電
気信号に変換する働きをし、次に、座圧センサ１５Ｂは
点火プラグ７の座金部分に設けられ、燃焼室内の振動を
直接とらえて電気信号に変換する働きをする。そして、
筒内圧センサ１５Ｃは燃焼室のシリンダヘッドの一部に
穴をあけて取り付けられ、やはり燃焼室内の振動を直接
とらえて電気信号に変換する働きをするものである。

【００１６】なお、本発明の実施例としては、ノック信
号検出手段は１系統あればよく、従って、実際には、ノ
ック振動センサ１５Ａと座圧センサ１５Ｂ、それに筒内
圧センサ１５Ｃの内の何れか１個だけが使用されること
になる。

【００１７】ところで、上記したように、ノッキング発
生時の振動モードと周波数は、図６に示すようになって
いる。すなわち、燃焼室内の円筒の振動として、半径方
向と円周方向に振動の節（区切り線）と腹（＋又は−）
とに共鳴状態が生じて、特定の周波数成分だけが発生す
る。こうして発生したノックによる振動をノック信号検出手
段が検出するため、その出力には複数の振動モードの信
号が含まれることになる。

【００１８】従って、ノック信号検出手段となるノック
振動センサ１５Ａや座金センサ１５Ｂ、或いは筒内圧セ
ンサ１５Ｃは、この図６に示した周波数を含む全帯域に
わたって一様な感度を持つことが望ましく、そのために
、圧電セラミックや水晶を用いたピエゾ型圧電検出方式
のセンサが一般的に使用されており、この実施例でもこ
れらが使われる。

【００１９】上記したように、エンジン制御ユニット１
は、燃料噴射弁６や点火コイル８に駆動信号を供給して
エンジンを制御しているが、更にこの実施例では、ノッ
ク振動センサ１５Ａと座圧センサ１５Ｂ、それに筒内圧
センサ１５Ｃの内の何れか１個からなるノック信号検出
手段からの信号（ノック信号）を取り込んでノッキング
判定処理を行ない、その結果に基づいて、所定の態様で
点火時期を遅らせることにより与えられるノッキング制
御を遂行するようになっており、このときのエンジン制
御ユニット１によるノック判定処理を図１により説明す
る。

【００２０】まず、ノック信号検出手段（以下、ノック
センサという）１５の信号は、アンプ１６により、以下
の処理に必要な所定のレベルに増幅された後、５個のフ
ィルタ１７−１、１７−２、１７−３、１７−４、それ
に１７−５　からなる周波数分析手段１７に供給され、
夫々の周波数成分に分離して抽出される。

【００２１】ところで、これらのフィルタ１７−１〜１
７−５　としては、従来からアナログ回路によるバンド
パスフィルタが主として用いられてきたが、複数の周波
数成分を同時に抽出しようとした場合には、抽出すべき
周波数成分の種別数と同じ個数分のアナログ回路を必要
とし、回路規模の増大と回路調整処理の複雑化が避けら
れない。

【００２２】そこで、この実施例では、ノック信号をＡ
Ｄ変換し、ＡＤ変換結果についてディジタルフィルタに
よって周波数成分を抽出するように構成してある。

【００２３】図６に示した周波数は、エンジンの形式や
燃焼室形状、ボア径等によって変化するので、この実施
例のように、ディジタルフィルタによって周波数抽出手
段１７を構成することにより調整を簡略化できる。

【００２４】ディジタルフィルタとしては、図２に示し
た非回帰形や、図３に示した回帰形フィルタがあり、こ
の実施例では、どちらのディジタルフィルタを使用して
も良い。そして、抽出しようとする周波数成分の個数だ
けフィルタを用意することで、必要な種類の周波数成分
を抽出できる。

【００２５】ところで、ＡＤ変換を行なうサンプリング
間隔τｓ　は、標本化定理によって抽出しようとする最
大の周波数の２倍以上の周波数の逆数であり、図６の例
では、抽出周波数の最大値が１８．１ｋＨｚであるから
、この間隔τｓ　は

【００２６】

【数１】

【００２７】以下になるようにすればよい。

【００２８】なお、これら図２の非回帰形フィルタや図
３の回帰形フィルタでの係数ａｉ、ｂｉはディジタルフ
ィルタの設計手順に従って、定数を予め用意しておく。

【００２９】一方、周波数の分析手段としては高速フー
リエ変換が知られているが、この場合、２のｎ乗個のサ
ンプル数を必要とする。このため、周波数分析すべき区
間、すなわち、サンプリング区間は２倍又は１／２の離
散的な区間となり、不連続な区間になってしまう。

【００３０】そこで、この問題を解決するために、２の
ｎ乗個のサンプリングに数にとらわれず、個々のＡＤサ
ンプル値にフーリエ係数を乗じて求める方法があり、こ
のようにした周波数分析手段１７の一実施例を図４に示
す。すなわち、この図４に示すフーリエ級数による周波
数分析手段１７は、抽出しようとする周波数をｆとして
、フーリエ係数ｃｉを

【００３１】

【数２】

【００３２】として、サンプリング回数ｉが変わるごと
に係数を変えることにより周波数成分を抽出するのであ
る。

【００３３】このとき、図４に示すように、この実施例
では、補正手段４０を設け、エンジンの運転状態に応じ
て、例えば燃料噴射幅ＴＰ　や回転数Ｎに応じてシリン
ダ内の燃焼温度を推定演算し、これにより周波数ｆを変
化させることで、常に適切な周波数成分が抽出できるよ
うにしている。

【００３４】このようにして、図２の非回帰形ディジタ
ルフィルタ、又は図３の回帰形ディジタルフィルタ、或
いは図４のフーリエ級数による周波数分析手段の何れか
によって得られた各周波数成分Ｓ１　〜Ｓ５　について
、次に、図１に示すように、重み付け手段１８により、
シリンダブロックの伝達特性やセンサの周波数特性に合
わせて、図７に示す所定の重みづけ係数Ｗ１〜Ｗ５を乗
じて補正を行ない、補正周波数成分Ｓ１’〜Ｓ５’を得
た後、ノック判定手段１９による処理を行なう。

【００３５】図８は、このノック判定手段１９の一実施
例で、まず、ノック振動の各周波数成分Ｓ１’〜Ｓ５’
は、それまでにノック無しと判定したときのＳ１’〜Ｓ
５’の平均値Ｓ１〜Ｓ５（上付きバーで示してある）と
それぞれ比較し、その比率または差分（負の場合はゼロ
）を求め、それらの値をＳＮ１〜ＳＮ５とする。

【００３６】次に、これらの値ＳＮ１〜ＳＮ５について
、処理１９−１により、それらの和、又は値の大きい順
に並べたときの上位ｍ個の和をとり、それをノック指数
ＩＫとする。そして、このノック指数ＩＫを、ノック制
御における官能試験のレベルと比較し、図９に示す官能
試験対応図を作成する。この分布図により、ノック判定
のしきい値を求めノック判定の基準とする。

【００３７】そして、ノック無しと判定した場合、Ｓ１
〜Ｓ５の平均値の更新を以下のようにして行なうのであ
る。

【００３８】

【数３】

【００３９】

【数４】

【００４０】

【数５】

【００４１】

【数６】

【００４２】

【数７】

【００４３】ここで、Ｋは移動平均を求めるための係数
で、Ｋ＝４〜６４の間の数値が使われる。なお、この平
均値の更新は、図１では明確には示されていないが、図
８の処理１９−２　により行なわれる。

【００４４】次に、周波数成分の抽出タイミング処理に
ついて説明する。まず、図１０はこの処理に必要な構成
を示したもので、ノックセンサからのノック信号と、基
準角センサ１１からのレファレンス信号と、位置角セン
サ１２からのポジション信号とを入力とし、ポジション
信号の立上りを計数し、レファレンス信号の立上りでク
リアされるカウンタ１００と、このカウンタ１００の計
数値を比較するコンペアレジスタ１０１、さらにカウン
タ１００とコンペアレジスタ１０１の計数値が一致した
らＣＰＵ１０３に割込を要求する割込コントローラ１０
２、そしてノック信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１０４
とからなる。

【００４５】次に、処理動作について、図１１のフロー
チャート及び図１２のタイミングチャートにより説明す
ると、まず、図１１の（ａ）に示すように、レファレン
ス信号Ｒｅｆの立上りでＣＰＵ１０３に割込がかかり、
ＡＤ変換器１０４による変換動作を開始すべき角度θＫ
　をコンベアレジスタ１０１にセツトする。

【００４６】カウンタ１００はレファレンス信号Ｒｅｆ
　の立上りでクリアされ、ポジション信号Ｐｏｓ　をゼ
ロから計数し始める。そしてカウンタ１００の計数値が
θＫ　に一致したら、図１１の（ｂ）の一致割込による
処理が開始し、この中でＡＤ変換器１０４によるＡＤ変
換を開始し、同時にＡＤ変換割込を許可する。そして、
ＡＤ変換の終了角度θＮ　をコンペアレジスタ１０１に
セツトする。

【００４７】さらに、ＡＤ変換が終了する毎にＡＤ変換
割込要求がＣＰＵに出され、図１１の（ｃ）の処理が始
まり、このＡＤ変換割込内でディジタルフィルタの積和
演算を行なう。この積和演算はＡＤ変換値ＡＤｉと係数
ａｉ、ｂｉ、ｃｉなどとの乗算とその和を求める演算で
あり、クランク角がθＮ　に達するまで行なわれる。

【００４８】ポジション信号Ｐｏｓ　を計数しているカ
ウンタ１００のカウント値がθＮ　に一致したときに、
再び一致割込要求が出され、この中でＡＤ変換割込を停
止し、それまでの積和演算値を各周波数成分Ｓ１〜Ｓ５
とするのである。

【００４９】そして、これらの周波数成分Ｓ１〜Ｓ５に
、上記したように、補正係数ｗ１〜ｗ５を乗じて補正値
Ｓ１’〜Ｓ５’とし、平均値との比率又は差分ＳＮ１〜
ＳＮ５を求めて、これらの値からノック指数ＩＫを算出
する。

【００５０】その後、ノック強度判定処理１９−３によ
り、ノック指数ＩＫが図９に示す官能試験でのレベルＳ
Ｌより大きいときにノック有りと判定し、小さいときに
ノックなしと判定した上で、ノックの有無を表わす出力
を、図１２に示すように、次のレファレンス信号Ｒｅｆ
　の立上りまでに出力するのである。

【００５１】そこで、エンジン制御ユニット１は、次の
レファレンス信号Ｒｅｆ　の立上りで、このノックの有
無を入力とし、ノック有りのときには、次の点火時期設
定時に点火時期を遅らせるなどの、周知のノッキング回
避制御を実行するのである。

【００５２】以上のように、この実施例によれば、常に
確実にノッキング発生をとらえることができるから、的
確なノッキング回避制御が可能になり、エンジン性能の
向上を充分に図ることができる。

【００５３】

【発明の効果】さらに、本発明によれば、振動センサの
出力に含まれる情報を有効に活用できるので、エンジン
出力及び燃料効率が最適となるように制御できる。

【００５４】本発明によれば複数の周波数成分について
同時に分析することができ、かつ分析結果が分析区間に
含まれる信号強度となるので、ハードウエアが簡略化で
き、かつ周波数選択の自由度が増えるので、対象エンジ
ンの諸元が変わっても対応可能になる効果がある。

【００５５】また、本発明によれば、高速フーリエ変換
と呼ばれる２のｎ乗個のサンプリング個数に限定されず
、サンプリング範囲を自由に選択できるので、エンジン
回転数に応じて周波数分析区間を自由に設定でき、ノッ
キング検出の精度を充分に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるノッキング検出装置の一実施例を
示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第１
の例を示すブロック図である。

【図３】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第２
の例を示すブロック図である。

【図４】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第３
の例を示すブロック図である。

【図５】本発明によるノッキング検出装置の一実施例が
適用されたエンジン制御装置の構成図である。

【図６】ノッキング周波数モードの説明図である。

【図７】本発明の一実施例における重み付け特性の説明
図である。

【図８】本発明の一実施例におけるノッキング判定手段
のブロック図である。

【図９】本発明の一実施例におけるノッキング官能試験
の説明図である。

【図１０】本発明の一実施例におけるタイミング制御手
段のブロック図である。

【図１１】本発明の一実施例におけるタイミング制御を
説明するフローチャートである。

【図１２】本発明の一実施例におけるタイミング制御を
説明するタイミングチャートである。

【符号の説明】

１　　エンジン制御ユニット２　　エンジンのシリンダ３　　吸気管４　　排気管５　　絞り弁６　　燃料噴射弁７　　点火プラグ８　　点火コイル９　　ディストリビュータ１０　　吸入空気流量計１１　　基準角センサ１２　　位置角センサ１３　　絞り弁開度センサ１４　　空燃比センサ１５Ａ　　ノック振動センサ１５Ｂ　　座圧センサ１５Ｃ　　筒内圧センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　エンジンの振動又はシリンダ内圧振動
の少なくとも一方を検出するノックセンサを備え、この
センサの出力信号に基づいてノッキング発生を判定する
ノッキング検出装置において、上記ノックセンサの出力
信号に含まれる少なくとも２の所定の周波数成分を夫々
独立に抽出する周波数成分抽出手段と、この周波数成分
抽出手段から与えられる少なくとも２の出力の演算結果
からノック指数を算定するノック指数演算手段とを設け
、上記少なくとも２の周波数成分をエンジンのシリンダ
に現われる共鳴モードの夫々によって定まる共鳴周波数
成分に一致させることにより上記ノック指数からノッキ
ング発生を判定するように構成したことを特徴とするノ
ッキング検出装置。
【請求項２】　　請求項１の発明において、上記周波数
成分抽出手段が少なくとも２種のディジタルフィルタで
構成されていることを特徴とするノッキング検出装置。
【請求項３】　　請求項２の発明において、エンジンの
運転状態からシリンダ内雰囲気中での音速を算定する手
段を設け、この手段による音速の算定結果に応じて上記
ディジタルフィルタの中心周波数を変化させるように構
成したことを特徴とするノッキング検出装置。