JPH048850A - 内燃機関のノツキング検出装置 - Google Patents

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

〔従来の技術〕

内燃機関、特に自動車用のガソリンエンジンなどでは、
その性能向上のため、ノッキング限界での運転が望まし
い。

しかして、このためには、高精度のノッキング制御の適
用が必要であり、当然、高精度のノッキング検出装置の
使用が不可欠である。

ところで、このノッキング検出装置としては、従来から
、エンジン（内燃機関）の振動を検出するセンサを用い
、このセンサの検出信号からノッキングを判定する方法
が広く採用されている。すなわち、エンジンの燃焼室内
の異常燃焼に伴うノッキング現象により、エンジンブロ
ックに特有の、複数の共鳴周波数成分を持った振動が生
じ、この振動エネルギーをとらえることにより、ノッキ
ング発生を検出するのである。

しかし、この方法は、エンジン自体の機械的運動によっ
て生じる機械音との区別が難しく、これを判別する方法
として、前述の共鳴周波数成分のみをとり出す方法が考
案されている。

例えば、特開昭６３−２１９８７４号公報では、複数個
のフィルタを設けて、複数の周波数成分からなる特定の
共鳴周波数成分をとり出し、ノッキングを検出する方法
について記載している。

ここで、複数のフィルタを用いる例としては、アナログ
フィルタ等をディスクリートの部品で構成する方法や、
デジタルフィルタの応用により複数の周波数を検出する
方法が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、アナログフィルタやデジタルフィル
タでは、中心周波数が固定のものとせざるを得ない点に
ついて考慮されておらず、エンジンの運転状態の変化や
、エンジン自体の経年変化に伴う共鳴周波数の変化ため
に、中心周波数を共鳴周波数に適切に合わせることが困
難で、ノッキング検出の高精度化に問題があった。

また、上記従来技術では、フィルタをアナログフィルタ
とした場合、抽出しなければならない周波数の数の分だ
け、ディスクリート部品を必要とする点について配慮が
されておらず、コストアップと大型化の問題があった。

本発明の目的は、構成部品を増やすことなく、エンジン
の運転状態や経年変化に係らず、常に高精度の検出が可
能なノッキング検出装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、まず、エンジンブロックの
振動または、燃焼室内の内圧変動を検出するセンサ（ノ
ッキングセンサ）を設け、このセンサの検出信号から少
なくとも２の中心周波数を異にする周波数成分を抽出し
、これらの周波数成分に基づいて上記内燃機関の所定の
振動モードに対応した音色指標を求め、この音色指標に
よりノッキング発生の存否を判定するようにした内燃機
関のノッキング検出装置を前提とし、これに以下の手段
、すなわち、上記少なくとも２の中心周波数に対応して
予め設定してある、それぞれの所定の周波数を中心とし
て、その近傍のスペクトル成分の中から最大レベル値を
示す周波数をそれぞれ検出する選択手段を設け、これに
より検出された周波数を、上記周波数成分の抽出におけ
る上記少なくとも２の中心周波数として使用するように
構成したものである。

以上のことを、さらに実施例に即していえば、エンジン
ブロックの振動または、燃焼室内の内圧変動を検出する
センサを設け、このセンサの検出信号をノッキング信号
の解析に必要な、十分なレベルにまで増幅するために前
置増幅器を設ける。

増幅された信号をＡＤ変換器によりデジタル量に変換し
、マイクロコンピュータによりサンプリングする。

そして、このノッキング信号のＡＤ変換結果をマイクロ
コンピュータにより周波数解析することによりノッキン
グ発生を判定するのである。

また、エンジンの経年変化を検出するため、エンジンの
動作時間または、走行距離を積算する手段を設ける。

〔作用〕

ノッキングセンサは、ノッキングを検出するのに必要な
信号を含む十分広い帯域にわたって周波数特性が平坦な
ものとし、ノッキング発生時に生じる特有な周波数成分
を複数個含み、これらの信号から総合的にノッキング発
生を検出できる。

またエンジンの動作時間または走行距離を積算すること
により、エンジンの劣化を推定でき、劣化に伴うノッキ
ング発生時の特有周波数のシフトに対して、周波数解析
に用いる周波数の追尾が可能になり、ノッキング検出を
最適化できる。

また、マイクロコンピュータによりサンプリング結果を
解析することにより、リアルタイムにノッキング発生を
検出でき、エンジン出力や燃焼効率を最適化できる。

〔実施例〕

以下、本発明による内燃機関の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。

第１図は本発明の一実施例が適用されたエンジンシステ
ムのブロック図で、この図において、１はエンジンであ
り、このエンジン１には、マイクロコンピュータのＣＰ
ＵＩＩ及びＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３、ｌ１０１４等から
なるエンジン制御ユニット１０が設けられており、吸入
空気量針（Ｈ／Ｗ）２の出力電圧やクランク角センサ３
．４、水温センサ５、それに絞り弁開度センサ６の出力
などを取り込み、エンジンの運転に最適な燃料噴射量や
点火時期を計測し、この計測結果をｌ１０１４から出力
し、インジェクタ７や点火コイル８を駆動し、エンジン
１の燃料供給量制御と点火制御を行う。

これらの制御について、以下に、さらに詳しく説明する
。

エンジンが吸入する空気はエアクリーナ（図示せず）の
入口部から入り、ダクト、スロットルボテイ、吸入管、
吸入弁を通じて燃焼室に入る。吸入空気量は吸入空気量
針２で計測され、単位時間当りの吸入量に対応した電圧
として、エンジン制御ユニットｌＯに入力される。

クランク角センサ３．４からは、気筒を判別し、上死点
を表わすレファレンス信号Ｒｅｆと、クランク角度を表
わすポジション信号ｐｏｓの２種の信号が発生され、エ
ンジン制御ユニット１０内で気筒判別とエンジン回転数
の計測に使用される。

水温センサ５により、エンジンの冷却水の温度Ｔｗを測
定し、これはエンジン制御の補正に使用される。

ＣＰＵＩ　１は、吸入空気量を回転数で除算し、水温等
の補正を加えて燃料噴射量を計算する。

他方、点火時期は、燃料噴射量と回転数により基本値が
決められ、水温や回転数の挙動により補正が加えられる
。

次に、ノックセンサ９は、エンジン１のシリンダブロッ
クに取り付けられた振動検出用のセンサで、ノッキング
発生に伴う振動を電気的信号に変換する働きをする。

なお、このノックセンサ９は、図示の位置ではなく、点
火プラグ８ａと一緒に取付けられる場合もある。

また、このノックセンサ９としては、筒内圧の変動分を
ノッキング信号としてとり出す方式の、燃焼室に取り付
けた筒内圧検出用のセンサでもよく、これは９ａで表わ
しである。

さらに、この実施例では、エンジン制御ユニット１０内
にタイマ２０が設けてあり、エンジンの運転総時間を求
めるようになっている。

また、自動車の車輪には車速センサ２１が設けてあり、
この車速センサ２１からの車速信号■ＳＰをエンジン制
御ユニット１０内の積算計２２で積算し、運転総距離を
求めるようになっている。

これらの運転総時間と運転総距離は、図示してない不揮
発性ＲＯＭ、または内蔵電池によるバックアップにより
、エンジン制御ユニットｌＯの電源が切れても保存され
るように構成されている。

次に、この本発明におけるノッキング検出について説明
する。

まず、エンジンの燃焼過程での振動は、シリンダの径方
向の次数をｎ、周方向の次数をｍとするとき、それぞれ
回数値ρｎｍを持ち、それに対応して、共鳴周波数ｆｒ
＋ｍが存在する。例えば、本実施例で用いたエンジンの
場合、第２図（ａ）に示す値となる６ エンジン１のシリンダブロックに取り付けたノックセン
サ９の周波数特性は、ノッキング発生時に発生する上記
の特有な周波数を全て含み、その範囲にわたって一様の
感度をもつものとする。

そこで、いま、成るノッキング信号を分析すると、例え
ば第２図（ｂ）のような分布をする。

そこで、予め、周波数特性が一様でないことが判ってい
れば、その周波数特性の逆の特性を後に述べる前置増幅
器に持たせることにより、周波数特性を一様に平坦化で
きる。

次に、ノッキング信号の処理について、第３図により説
明する。

ノッキング信号Ｓは前置増幅器３０を通して増幅される
。前述したようにノックセンサの周波数特性に対応して
イコライザ３１により周波数特性が変えられており、か
つ、ＡＤ変換器３４の入力電圧範囲を超えない範囲で、
可変増幅器３３により増幅される。この可変増幅器３３
による増幅値は、ｌ１０１４からの指示により、入力信
号のレベルまたは回転数に応じて可変できるものとする
。

但し、ノッキング信号の周波数解析区間では増幅値が一
定になるようにしている。

ここで、ノッキング信号を解析する区間は、第４図に示
すように、ノッキング現象が起き嘉い上死点後の所定の
角度（時点）θｏｐｅｎからスタートさせる。なお、こ
の角度θｏｐｅｎは、図示のように、レファレンス信号
Ｒｅｆの立上りをゼロとし、ポジション信号Ｐｏｓをカ
ウントすることにより判定することができる。

カウント値が角度θｏｐｅｎに一致した時点でＡＤ変換
終了割込を許可し、ＡＤ変換器３４による処理を開始す
る（第３図）。

ＡＤ変換は、第４図に示すように、一定周期で毎に行な
われ、ＡＤ変換終了時にマイクロコンピュータに割込が
かかり、ＡＤ変換終了割込内で、ＲＡＭに順々に逐次転
送される。

二二で、このＡＤ変換の周期では、その逆数で表わされ
る周波数が、ここで解析しようとしている周波数の中で
最も高い周波数を示すものの２倍以上になるようにして
おく。

また、第３図に示すように、前述の前置増幅器３０は、
　１／（２ｔ）以上の周波数ｆｃｕｔについて十分な減
衰量を持つローパスフィルタ３２を含むものとする。

こうして、ＡＤ変換されたデータの個数が、例えば２ｎ
個になった時点ｔ、で、第４図に示すように、ＡＤ変換
終了割込を終了し、この時点ｔ。

で周波数解析フラグを立て、周波数解析処理を開始する
。

この周波数解析は、第３図に示すように、例えば高速フ
ーリエ変換３５により、２ａ個のサンプリングデータＡ
からバタフライ計算（計算方法は例えばｒＦＦＴ活用マ
ニュアル」　（日本能率協会昭６０．１０．３０発行　
城戸著）を参照）により、２”個の異なった周波数デー
タＢとして求めることにより開始される。

そして、これら２“個の周波数のうち、予め実験により
定められたに個（ｋ＞１）の周波数ｆ。

〜ｆ、に対応したスペクトル成分Ｓ、〜ｓｋをデータＣ
として求める。これがノッキングに応じた音色指標とな
る。

次に、これらのスペクトル成分Ｓ、〜Ｓ、に対して処理
３６により、それぞれ重みづけ量Ｗ１〜Ｗｋを乗じてノ
ッキング信号強度■を求める。

そして、比較処理３７で、この信号強度工を、ノッキン
グ現象が発生していない時点の強度を表わす基準強度■
、と比較し、それより大きいときにノッキング発生と判
定するのである。

こうして、ノッキング発生と判定されたら、第４図に示
すように、点火時期を所定角度θｒｅｆだけ遅らせ、そ
の後、所定の期間Ｔａｄｖごとに所定角度、例えば＋１
°づつ戻す、公知の点火時期制御を行うのである。

次に、これらの計算に必要なマイクロコンピュータの処
理について、第５図により説明する。

まず、第５図（ａ）の処理をレファレンス信号の立上り
に応じて実行し、気筒判別してから所定の角度θｏｐｅ
ｎを設定する。

また、これと並行して、レファレンス信号の立上りから
θｏｐｅｎの角度分、ポジション信号をカウントした時
点で、アングル割込を発生させ、これにより第５図（ｂ
）の処理を開始させ、このアングル割込内で、ＡＤ変換
終了割込を許可し、サンプリングカウンタをゼロにし、
サンプリングデータ格納ポインタを格納エリアの先頭ア
ドレスに初期化する。

ＡＤ変換終了割込により、第５図（Ｃ）の処理を開始さ
せ、この処理内で、まず、ＡＤ変換値をサンプリングデ
ータ格納ポインタに示すアドレスに格納し、ポインタと
サンプリングカウンタをインクリメントする（５０）。

そして、サンプリングカウンタが２″個になった時に、
ＡＤ変換終了割込を停止し、周波数解析フラグを立てる
（５１）。

一方、第５図（ｄ）に示す処理を、一定周期毎に起動さ
れるタイマタスクとして設け、この処理内で、周波数解
析フラグをチエツクし、周波数解析フラグが立った時点
で、まず、高速フーリエ変換サブルーチンを起動する（
５２）。

高速フーリエ変換終了後、周波数ｆ、〜ｆｋに対応した
スペクトル成分Ｓ１〜Ｓｋを取り出す処理（５３）を実
行する。

ところで、ノッキング発生時の特有周波数は、回転数や
点火時期によってわずかに変わり、かつ、ノッキング発
生時のピストンの位置等でも変動するため、スペクトル
成分Ｓ、〜Ｓ、の値をそのまま用いたのでは、ノッキン
グ現象を正確に判定できない。

そこで、この実施例では、第６図に示すように、周波数
ｆ、〜ｆ、からなる特有周波数に相前後する、ｆ±Δｆ
に相当する範囲内のスペクトル成分の中から最大のピー
ク点を求め、これらを周波数ｆ、〜ｆ、からなる特有周
波数の代りに用いるようになっている。

なお、特有周波数の相前後するｆ±Δｆに相当する範囲
内のスペクトル成分の平均値を代りに用いるようにして
もよい。

また、各点火毎のｆ±Δｆの中から選ばれる最大ピーク
スペクトル量を与える周波数を次の点火の際の中心周波
数としてもよい。

こうして得られたスペクトル成分８１〜Ｓ、にそれぞれ
重み付は係数Ｗ１〜Ｗｋを乗じてノッキング強度■を求
め（５４）、基準強度■。と比較する（５５）。

そして、ノッキング強度■が基準強度■、より大になっ
たときには、ノッキング発生フラグを立てるのである（
５６）。

第５図（ｃ）は、点火時期計算タスクで、上記したよう
にして、ノッキング発生フラグが立ったら、点火時期を
角度θｒｅｔだけ遅らせ、点火時期保持タイマを期間Ｔ
ａｄｖにセットする（５７）。

そして、期間Ｔａｄｖをタイマタスクの周期毎に減算し
、ゼロになった時点で、角度θｒｅｔを１度だけ減らし
、ここで角度θｒｅｔがゼロにならなければ、再度、期
間Ｔａｄｖをセットする。この一連の動作により、ノッ
キング発生時毎に点火時期が遅角し、この結果、ノッキ
ング制御が得られることになる（５８）。

ところで、ノッキング検出のための特定の周波数ｆ１〜
ｆ、は、第７図に示すように、経年変化を伴う。

そこで、この実施例では、第１図で説明したように、エ
ンジン制御ユニット１０内にタイマ２０と車速センサ２
１が設けてあり、これらによりエンジンの運転総時間と
自動車の運転総距離が求められ、これらの運転総時間と
運転総距離は、エンジン制御ユニット１０の電源が切れ
ても保存されるようになっている。

そして、これらの運転総時間と運転総距離に応じて、ノ
ッキング検出のための特定の周波数ｆ。

〜ｆ、を、第７図の経年変化を打ち消す方向にずらすよ
うに構成してあり、これにより、ノッキング検出をさら
に高精度化できる。

ところで、上記実施例では、高速フーリエ変換により周
波数解析するように構成しているが、高速フーリエ変換
の代りに、別の周波数解析方法、例えば、ウオルシュア
ダマール変換を用いるようにしてもよい。

このウオルシュアダマール変換によれば、２″個のスペ
クトルを抽出することなく、特有周波数ｆ、〜ｆ、を求
めることができ、従って、計算時間を短くできる。

なお、このウオルシュアダマール変換については、　「
計測自動学会論文集、第１８巻１０号」、ｐ３８〜ｐ４
４、昭５７年１０月、栗原著、などを参照すればよい。

さらに別の周波数解析方法としては、例えば、予め必要
とするｆ、〜ｆ、について、デジタルバンドパスフィル
タを構成し、Ｚ変換における各係数をずらして、バンド
パスの中心周波数をずらす方法を適用してもよい。

また、ノッキング発生時の中心周波数は、冷却水温や吸
入空気温、湿度、運転状態によっても変化するので、こ
れらの条件に応じて中心周波数を移動させるように構成
すれば、さらにノッキング検出精度を高めることができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ノッキング発生時の特有の周波数をエ
ンジンの運転状態に応じて追尾することができ、常に高
精度でノッキングを判定でき、的確なノッキング制御を
得ることができる。

また、複数の周波数を選ぶことにより、高負荷、高回転
時でも適切な周波数による検出が可能で、ノッキング発
生時とノッキング非発生時とで、ノッキング強度工と基
準強度Ｉ。の比を大きくとることができ、ノッキング判
定を正確に行うことができる。

さらに、ノッキング制御を高負荷、高回転まで適用でき
るので、エンジンの動作点をＭＢＴ制御で求める点火時
期に近づけることができ、エンジン出力や燃料消費率の
向上ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関のノッキング検出装置が
適用されたエンジンシステムを示す構成図、第２図は振
動モードの説明図、第３図は本発明の一実施例によるノ
ッキング検出処理の説明図、第４図は動作説明用の波形
図、第５図は本発明の一実施例によるノッキング検出処
理手順を示すフローチャート、第６図はノッキング検出
用の周波数を表わす特性図、第７図はノッキング検出用
周波数の経年変化を示す特性図である。 １・・・・・・エンジン、２・・・・・・吸入空気量針
（Ｈ／Ｗ）、３．４・・・・・・クランク角センサ、５
・・・・・・水温センサ、６・・・・・・水温センサ、
７・・・・・・インジェクタ、８・・・・・・点火コイ
ル、９・・・・・・ノックセンサ、１０・・・・・・エ
ンジン制御ユニット、１１・・・・・・マイクロコンピ
ュータのＣＰＵ、１２・・・・・・ＲＯＭ、１３・・・
・・・ＲＡＭ、１４・・・・・・Ｉｌｏ。 第１図 第２図 （ａ） （ｂ） Ｍ敗数（ｋ）ｌｚ） 第４図 ａｄｖ 第３図 第 図 （Ｇ） （ｂ） 第５図 （Ｃ） 第５図 （ｅ） Ｃ５８） 第５図 （ｄ） 第６図 珊液叡 第 ０デＥ　ルい

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の振動を検出するセンサを備え、このセン
   サの検出信号から少なくとも２の中心周波数を異にする
   周波数成分を抽出し、これらの周波数成分に基づいて上
   記内燃機関の所定の振動モードに対応した音色指標を求
   め、この音色指標によりノッキング発生の存否を判定す
   るようにした内燃機関のノッキング検出装置において、
   上記少なくとも２の中心周波数に対応して予め設定して
   ある、それぞれの所定の周波数を中心として、その近傍
   のスペクトル成分の中から最大レベル値を示す周波数を
   それぞれ検出する選択手段を設け、この選択手段により
   検出された周波数を、上記周波数成分の抽出における上
   記少なくとも２の中心周波数として使用するように構成
   したことを特徴する内燃機関のノッキング検出装置。 ２、請求項１の発明において、内燃機関の冷却水温、吸
   入空気温度、及び吸入空気湿度の少なくとも１を含む内
   燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段をもうけ
   、この運転状態検出手段の検出結果に応じて、上記少な
   くとも２の中心周波数を変化させるように構成したこと
   を特徴する内燃機関のノッキング検出装置。 ３、請求項１の発明において、内燃機関の運転時間を所
   定の時点から積算する計時手段を設け、この計時手段の
   検出結果に応じて、上記少なくとも２の中心周波数を変
   化させるように構成したことを特徴する内燃機関のノッ
   キング検出装置。 ４、請求項１の発明において、上記選択手段が、上記近
   傍のスペクトル成分を含む複数のスペクトルについて、
   それぞれ所定の加重係数を乗算してから、それらの総和
   により上記のスペクトル成分を得るように構成されてい
   ることを特徴する内燃機関のノッキング検出装置。