JPH05125991A - ノツク検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は全運転領域にわたってノック制御を実
現する場合の構成と手段を示したものである。 【構成】ノックセンサの出力に基づいて所定のノック振
動モード毎の信号成分を抽出して複数の信号成分の総合
判定により、ノック発生の有無をエンジン制御に反映さ
せて全運転領域のノック制御を実現したものである。 【効果】周波数分析手段により各振動モードを分離して
検出し、従来雑音成分として除去していた信号もノック
判定に取り込むことができるので、ノック検出能力が高
まり全運転領域にわたってノック制御が可能になった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジン制御にかかり、
特にノック検出及びアイドルから全負荷までの過渡運転
に良好なエンジン制御を提供することにある。

【０００２】

【従来の技術】従来のエンジン制御におけるノック検出
は高負荷領域や高回転領域に限り、また空気と燃料との
空燃比にかかわらず制御が行なわれている。

【０００３】例えば、特開昭60−204969号に示されてい
るように特定の運転領域でのノック信号から、ノック発
生時に生じる周波数成分を取り出して、信号の大小で有
無を判定している。このため、高回転時にはエンジン自
体の機械振動がノック信号と同程度のレベルとなり、検
出が困難になり、ひいてはノックを検出できずにエンジ
ンを損傷したり、点火時期が不適切となり所定の出力が
得られないという問題が発生していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前述の問題点
を解決するために発明されたものであり、アイドル時か
ら高負荷時までの連続した領域にわたりノック制御を行
うことにより、エンジンの出力を維持することにある。

【０００５】また、燃費向上や排気ガスのローエミッシ
ョン化のために空燃比を上げてリーン状態で燃焼すると
燃焼室内での混合が不均一になりやすく、局部的な早期
着火によりノックが発生しやすくなる。

【０００６】さらに、リーン化によりトルクが安定せず
回転変動が大きくなる。そのため、トルクが低下した時
に、トルクを上げるために点火時期を進めると、ノック
ゾーンに入り、ますますノックを発生させてしまう問題
がある。

【０００７】そこで本発明の第２の課題はリーン化によ
るノック発生を検出して回転の変動を押さえながら良好
な運転性を確保することにある。

【０００８】また、燃料の多様化によりガソリンだけで
なくアルコールなどの代替え燃料を使用した場合、オク
タン価の違いがあるため最適な点火時期が異なる。アル
コール燃料の方がオクタン価が高いため、トルクを稼ぐ
ために点火時期はガソリンよりも進めることができる。
逆にアルコール燃料の点火時期でガソリンを使用すると
ノックゾーンに入り、ノックを発生する。

【０００９】そこで本発明の第３の課題はオクタン価の
異なる点火時期マップを使用してもノック制御により、
良好な運転性を確保することにある。

【００１０】また、ノックは複数の気筒にわたって一様
に発生するものではなく、気筒毎の空燃比や冷却水温の
違いによりノックの起こしやすさに差がある。

【００１１】そこで本発明の第４の課題は気筒毎にノッ
ク制御を行うことにより、トルクの低下を少なくして運
転性を確保することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１の課題を解決す
るために回転数とスロットル開度とによって決まる目標
空燃比を設定する際にノック検出レベルも同時に設定し
アイドル時からでもノック検出を行う手段を設ける。

【００１３】第２の課題を解決するために、回転の変動
とトルクの低下を防ぐ手段として点火時期だけでなく一
時的に空燃比を変化させる手段も設ける。

【００１４】第３の課題を解決するために、高オクタン
価用と低オクタン価用の点火時期マップと空燃比テーブ
ルを用意し、両者の間のノック制御量により使用燃料の
オクタン価を推定する手段を設ける。

【００１５】第４の課題を解決するために、気筒別のノ
ック検出を行うと共に点火時期や目標空燃比を変化させ
る手段を設ける。

【００１６】

【作用】目標空燃比とノック検出レベルとを同時に設定
することにより、全運転領域にわたってノック検出をす
ることができる。

【００１７】また、点火時期と空燃比を変えてトルクを
向上することにより、運転性を確保できる。

【００１８】さらに使用燃料のオクタン価を推定するこ
とにより、点火時期マップの最適化を図ることができ
る。

【００１９】気筒別のノック制御を行うことで全気筒一
律のノック制御よりトルクを向上できる。

【００２０】

【実施例】図１に本発明の１実施例の構成図を示す。

【００２１】エンジン制御ユニット１，シリンダ２，吸
気管３，排気管４，スロットル５，燃料噴射弁６，点火
プラグ７，点火コイル８，吸気流量計１０，気筒判別用
レファレンスセンサ１１，クランクの回転角をはかるポ
ジションセンサ１２，スロットルの開度を測るスロット
ルセンサ１３，空燃比を測る空燃比センサ１４，ノック
振動センサ１５Ａ，座圧センサ１５Ｂ，筒内圧センサ１
５Ｃから構成されている。

【００２２】エンジン制御ユニットは吸入空器量計，レ
ファレンスセンサ，ポジションセンサ，スロットルセン
サ，空燃比センサなどからエンジンの運転状態を検地す
るのに必要な信号を取り込み、所定の演算処理により各
種の駆動信号を計算して燃料噴射弁や点火コイルを動作
させてエンジンを制御する。

【００２３】まず、ノック検出について説明する。

【００２４】ノックを検出するため、次のいずれかのノ
ック検出手段を用いてエンジンの燃焼に伴う振動を電気
信号に変換する。

【００２５】まず、ノック振動センサはシリンダブロッ
クの燃焼室の近傍に取り付けられ各気筒毎または複数の
気筒のノック振動を検出する。座圧センサは点火プラグ
の座金部分に取り付けられ、燃焼室内の圧力変化を直接
測定し、ノックを捕らえる。筒内圧センサは燃焼室のシ
リンダヘッドの一部に穴をあけて取り付けられ、やはり
燃焼室内の圧力変化を直接測定する。

【００２６】燃焼室内での燃料と空気の混合比の不均一
やシリンダの温度分布のばらつきにより、局部的な早期
着火が起こるとノックが発生し、燃焼室内で共鳴振動成
分が強く生じてノック固有の周波数が出る。共鳴振動は
燃焼室を円柱と考えた時の振動モードによって異なり、
ノック発生時のモードと周波数は図２に示すように半径
方向と円周方向との圧力分布に違いがある。こうした振
動モードは常時一つとは限らず、燃焼毎に変化し、また
同時に複数の振動モードが重なることもある。振動は圧
力の変化となって現われ、座圧センサや筒内圧センサで
検出できる。

【００２７】また振動はシリンダをとうしてシリンダブ
ロック全体の振動となり、ノック振動センサでも検出で
きる。

【００２８】ノック検出手段としてのノック振動セン
サ，座圧センサ，筒内圧センサの感度は図２に示した周
波数帯域にわたって一様な感度を持つことが望ましく圧
電素子や水晶を用いたピエゾ形圧電検出方式がとられ
る。もし感度が一様でない場合は、ノック信号増幅器に
周波数特性を補正するように、センサの特性と逆の増幅
率を持たせるか、または後述の周波数分析結果に補正を
行う。全体の増幅度はノック信号の大きさに応じて変え
る。すなわちＡＤ変換の分解能以上の信号が常時分析で
き、かつ飽和しない信号レベルとする。信号が分解能以
下にならなければ回転数に応じて増幅度を変えてもよ
い。

【００２９】従来、ノック検出ではノック発生時の代表
的な周波数成分のみを捕らえるようにアナログ回路によ
るバンドパスフィルタを用いていたが、ノック周波数は
単一でないためにすべてのノックを検出できなかった。
一方、特徴周波数をすべてバンドパスフィルタで検出し
ようとすれば周波数の数だけフィルタを必要とし、コス
ト的に高くなる。

【００３０】本発明ではノック検出手段としてのセンサ
からの信号を周波数分析することでアナログ回路を削減
して、ノック検出を行う。

【００３１】すなわち、ノック信号をＡＤ変換してデジ
タルフィルタまたはＦＦＴ（FastFourier Transform)に
よる特徴周波数成分の抽出を行う。特徴周波数はエンジ
ンの形式、燃焼室の形状、ボア径等によって変化し、ま
た燃焼温度によっても変化する。このため従来はバンド
パスフィルタの周波数調整をエンジン毎に必要としてい
たが、本発明ではデジタルフィルタまたはＦＦＴの結果
の選択のみで周波数の調整が可能である。

【００３２】ところで、ＡＤ変換を行うサンプリング間
隔τｓは標本化定理により、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２の例では抽
出周波数の最大値が１８.１ｋＨｚであるから、τｓは τｓ＝＜(１／(１８.１＊１０００＊２))＝２７.６μｓ …(1) となるようにＡＤ変換を行う。

【００３３】デジタルフィルタとしては図３に示したよ
うな非回帰形や図４の回帰形フィルタがある。図５のＦ
ＦＴを用いた時は同時に複数の周波数成分を抽出でき
る。

【００３４】しかし、ＦＦＴはノックの特徴周波数を含
まない帯域も計算するため、演算時間がかかるので必要
な帯域のみ計算するように変形を行ってもよい。また、
抽出周波数はサンプリング数をｎとした時 １／(τｓ＊ｎ) …(2) 毎になるため、ノックの特徴周波数を中心周波数に設定
できない。

【００３５】例えば、τｓ＝２５.６μｓ，ｎ＝３２の
ときＦ＝１.２２ｋＨｚとなり、ノックの特徴周波数と
一致できないが、隣合う周波数との間にバンドパスフィ
ルタと同様な感度を持つので、両隣の周波数の相加平均
を用いるか、帯域毎の分析結果からノックを検出しても
よい。

【００３６】図６にノック検出のアルゴリズムを示す。

【００３７】周波数分析手段はＦＦＴを使い、ノックの
特徴周波数を含む帯域にわたって成分を抽出する方法を
用いて、Ｐ１〜Ｐ８の成分を計算する。もし、ノックセ
ンサの感度が一様でない場合抽出結果にセンサの周波数
特性の逆数を乗じて補正する。

【００３８】次にそれまでにノックなしと判定した時の
バックグランドレベルＢＧＬ１〜ＢＧＬ８との比率をと
り、Ｓ／Ｎ比Ｋ１〜Ｋ８を求める。

【００３９】Ｋ１〜Ｋ８について、大きい順にならべた
時の上位ｍ個の和をとり、それをノック指数ＩＫとす
る。ｍは周波数帯域の分割数と実験により異なる。

【００４０】ノック指数ＩＫがしきい値を越えた時にノ
ック有りとする。

【００４１】ノックなしとした時はバックグランドレベ
ルを更新する。

【００４２】 ＢＧＬｎ＝ＢＧＬｎ＊(Ｋ−１)／Ｋ＋Ｐｎ／Ｋ …(3) ただし、ｎ＝１〜８ Ｋはバックグランドレベルの移動平均を求めるための計
数で、Ｋ＝４〜６４の数値が使われる。バックグランド
レベルは実験により求められる最小値と比較し、微小信
号によるノック誤検出を防止する。

【００４３】次に、図７によりノック検出手段の構成を
説明する。

【００４４】本実施例ではレファレンスセンサ信号の立
ち上がりがほぼノック発生の始まりであり、所定のクラ
ンク角度の間、ノック信号が持続するものとする。

【００４５】まず、分析区間を測るポジションカウンタ
はポジション信号の立ち上がりと立ち下がりとを数え、
レファレンスセンサの信号の立ち上がりでクリアされ
る。さらにポジションカウンタの計数値と比較するコン
ペアレジスタ、ポジションカウンタとコンペアレジスタ
とが一致したらＣＰＵに割り込みをかける割り込みコン
トローラ，ＡＤ変換器から構成されている。

【００４６】次に、図８でノック検出のタイミングを示
す。

【００４７】レファレンス信号の立ち上がりでＣＰＵに
割り込みがかかり、ＡＤ変換の開始角度θｋをコンペア
レジスタにセットする。ポジションカウンタの計数値が
一致するとサンプリングカウンタをクリアしてＡＤ変換
を開始し、同時にＡＤ変換のサンプリング数もセットす
る。１回の変換毎にサンプリングカウンタを１つ進め、
ＡＤ変換回数がサンプリング数に一致したらＡＤ変換を
終了し、周波数分析フラグを立てる。

【００４８】周波数分析フラグが立った時、周波数分析
を開始し、前述のノック判定を行う。ノック判定結果を
エンジン制御ユニットへ渡し、エンジン制御の点火時期
や空燃比制御に反映させる。

【００４９】次に、図９にエンジン制御ユニットでのノ
ック制御の構成図を示す。

【００５０】エンジン制御ユニットは吸入空気量の電圧
をＡＤ変換して、空気量に換算する回路、スロットルセ
ンサの信号をＡＤ変換してスロットルの開度を測る回
路，レファレンス信号とポジション信号を入力として気
筒判別を行う気筒判別回路，回転数を計測する回転数計
測回路，点火コイルへの通電開始時期と点火時期を決め
る点火回路，所定のクロックを数えて燃料噴射弁の動作
時間を決める燃料噴射回路などを含んでいる。

【００５１】エンジン制御ユニットは回転数とスロット
ル開度または燃料噴射時間とにより、点火時期マップを
点火時期を検索し、点火回路に点火時期を設定する。こ
の時、ノックのしきい値もノック判定テーブルから検索
しノック判定レベルをノック検出回路に設定する。この
手段により、アイドル時の低回転低負荷時から、高回転
高負荷時にわたってノック検出が可能になる。ノック判
定結果を取り込むときに次の気筒のノック判定値を渡す
ようにする。

【００５２】また、空燃比はリーン化を図ると燃費向上
やエミッションの低減の効果があるが、失火が頻発する
空燃比（約２０程度）までリーンにすると燃焼室内での
混合が悪化し、局部的な早期着火が起きてノックが発生
する。また、未燃分があると燃焼が不安定となりトルク
が低下する。

【００５３】また、リーン化により燃焼温度が低下する
分だけノックの特徴周波数は全体的に低い方へシフトす
る。そこでノックの特徴周波数のシフト量を計算するこ
とで燃焼室内の温度を推定できるので、温度が引火温度
以下になる失火限界をあらかじめ予測できる。

【００５４】図１０により、点火時期と空燃比の制御ル
ープの例を示す。

【００５５】前述の点火時期とノック判定値を検索する
際に目標とする空燃比も検索し、燃料噴射弁の動作時間
を変えて失火限界まで設定しておく。ノックを検出した
時には失火しないように点火時期を遅らせると同時に目
標空燃比を所定量をリッチにする。ノックなしと判定し
た時は徐々に点火時期を進ませ空燃比を薄くする。

【００５６】また、アルコール燃料など代替え燃料を用
いるとオクタン価がガソリンと異なるために点火時期マ
ップが最適なものとならない。従来、所定の運転領域で
のノック発生頻度でオクタン価を推定していたため、そ
の運転領域に入らない運転をしていると最適な運転状態
とはならない。

【００５７】本発明では全運転領域にわたってノック検
出が可能であり、ノック制御量からオクタン価を推定で
きる。

【００５８】たとえば、始動時は高オクタン価用のマッ
プを使い、前述のノック制御によって点火時期を遅角
し、目標空燃比のマップからを補正すると、低オクタン
と高オクタン用の間でどの程度補正されているかが計算
される。この計算結果に基づき図１１に示すように２つ
のマップの間でどの位置にいるかでアルコールがどれだ
け含まれているかがわかる。

【００５９】また、ノック判定テーブルを気筒別に持つ
ことにより、気筒毎のノック発生の容易さに対応可能で
ある。すなわち、ノック制御量を気筒別に変えることで
空燃比のばらつきや冷却水温の違いに対応できる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、ノック発生時の周波数
と発生角度がわかるのでノックの振動モードとノックの
強度に応じてノックの制御量を変えることができるので
制御の範囲を拡大できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の主な構成図である。

【図２】ノック発生時の振動モードと周波数の関係図で
ある。

【図３】周波数分析手段の構成図である。

【図４】同構成図である。

【図５】同構成図である。

【図６】ノック検出のアルゴリズムを示す図である。

【図７】ノック検出手段の構成図である。

【図８】ノック検出のタイミングを示す図である。

【図９】エンジン制御ユニット内のノック制御の構成図
である。

【図１０】点火時期と空燃比の制御の例を示す図であ
る。

【図１１】オクタン価推定の概念図である。

【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…スロットル、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…吸入空気量計、１１…レファレンス
センサ、１２…ポジションセンサ、１３…スロットルセ
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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｍ 15/00 Ａ 7324−2Ｇ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの振動またはシリンダ内圧振動の
   少なくとも１つを検出するノックセンサを備え、このノ
   ックセンサの出力信号に含まれる所定の周波数成分を抽
   出する手段と、この周波数抽出手段の出力からノック強
   度を計算するノック強度計算手段とを設けて、さらに、
   スロットル開度を検出して、回転数とスロットル開度ま
   たは燃料噴射幅に対応したノック強度判定値を検索し、
   ノック発生の判定をするように構成したことを特徴とす
   るノック検出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、ノック判定結果を点火
   時期と燃料噴射幅に反映させて、空燃比を理論空燃比及
   びリーンの空燃比での運転状態でノック制御を行うよう
   にしたことを特徴とするノック検出装置。
3. 【請求項３】請求項１または２においてノック制御量に
   より、オクタン価を推定することを特徴とするノック検
   出装置
4. 【請求項４】請求項１または２において気筒別にノック
   判定値とノック制御量を持つように構成したことを特徴
   とするノック検出装置。