JPH05215055A - 点火時期制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ノックを確実に検出して、エンジンの全運転領
域にわたってノック制御を可能にする。 【構成】燃焼室内に複数の燃焼状態センサを設け、所定
のノック振動モードのそれぞれに対応した信号成分を独
立に分析する周波数分析手段を設けて、ノック発生の位
置にしたがって点火時期を制御するように構成した。 【効果】ノック発生位置に近い点火プラグの点火時期を
制御できるので確実な燃焼安定とノック制御とが両立で
きる。

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ク検出及
び点火時期制御にかかり、特にガソリンエンジンに好適
なノック制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンにノックが発生すると特有の共
鳴周波数成分を持った振動が燃焼室内に生じる。そこ
で、この振動をノックセンサ等で検出することにより、
ノックの発生を知ることができる。

【０００３】従来のノック検出装置ではバンドパスフィ
ルタを用いて、ノックセンサ信号に含まれる周波数成分
の内、もっとも発生頻度の高い特定の周波数成分のみを
取り出して、信号レベルの大小により、ノックの有無を
判断していた。

【０００４】これに関連した装置としては特開昭60−20
4969号公報に記載のものが上げられる。

【０００５】さらにエンジンの燃費向上のため、空気に
対する燃料の混合割合を薄くしてリーンの状態で制御す
ると、燃焼室内での混合気の着火性が悪くなり、早期着
火や失火などの異常燃焼が増えて、ノックを起こしやす
い状況になる。着火性を高めるための従来、点火プラグ
を複数個用意して、同時に着火する方式が知られてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術はノック
発生時の複数の振動モードが存在する点について考慮さ
れておらず、また、異常燃焼の検知がなされていないた
めに、１つのプラグだけで点火していれば他のプラグの
点火エネルギーが無駄になる時がある。

【０００７】このため、ノック発生時の振動モードのい
くつかを雑音として処理してしまうためノック検出能力
に限界があり、リーン状態での運転の安定性に欠ける問
題があった。

【０００８】すなわち、従来の装置ではノックセンサを
エンジンブロックのまたは燃焼室の近傍に取り付けて、
バンドパスフィルタを用いてノックセンサに含まれる信
号のうちから特定の周波数成分のみを検出処理している
が、信号には燃焼室内の振動によって生じるものとエン
ジンの回転要素から生じる振動とが畳重している。

【０００９】しかも実際のノック現象は決して単一周波
数成分のみが生じるのではなく、複数のノック振動モー
ドが存在している。

【００１０】このため、バンドパスフィルタではノック
信号と他の雑音成分との比率が悪化してノックを精度よ
くとれない問題があった。

【００１１】また、ノック振動は燃焼室内のガスの混合
状態によっても変化する。つまり、燃焼温度や圧縮比が
変わると音速が変化し、周波数が変わってしまいバンド
パスフィルタの帯域外になっていた。さらに混合気が一
様でない場合、局部的な異常燃焼が生じノックが起きて
も雑音成分との差が小さい時にノックの検出が困難であ
った。

【００１２】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、常に確実なノック検出が可能で確実な
着火ができる点火時期制御装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
にノック検出の手段を燃焼室内に設け、複数のノック振
動モードに対応した信号成分を独立に抽出する周波数分
析手段により、これら複数の信号成分の総合判定により
ノック判定を行う。

【００１４】さらに、複数の点火プラグ毎にノック検出
手段を設けて燃焼室内のノック発生の状況を検知する。
そして、ノック発生場所に近い点火プラグの点火時期を
制御することにより、点火エネルギを無駄にする事無く
点火する。

【００１５】

【作用】燃焼室内に設けたノック検出手段により、ノッ
クを直接検知できるので雑音成分を低減でき、周波数分
析手段により各振動モードを分離して検出できるので、
従来不要信号として除去していた信号もノック検出に取
り込むことができるので、ノック検出の精度を高めるこ
とができる。

【００１６】また、複数の点火プラグの点火時期を独立
に制御できるので運転状態に適した点火エネルギを供給
できる。

【００１７】

【実施例】図１に本発明の１実施例の構成図を示す。

【００１８】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７Ａ、及び７Ｂ，点火コイル８，吸気流量計１
０，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，燃焼状態センサ１５Ａ、及び１５Ｂ，ノック波
形処理回路１６，スワール発生機１７から構成されてい
る。

【００１９】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知す
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。

【００２０】まず、ノック検出について説明する。

【００２１】ノックを検出するため、燃焼状態センサ出
力をノック波形処理回路に通してエンジンの燃焼に伴う
振動を電気信号に変換する。

【００２２】燃焼状態センサは点火プラグ自体または点
火プラグの近傍に設けたもので、点火プラグに生じた火
花によって燃焼しているガス中のイオン電流を検出す
る。回路は点火後に直流電圧を印加して、抵抗Ｒの両端
に生じる電圧Eionを測定する。直流電圧は点火時の着火
電流の一部をコンデンサＣに蓄電して、点火後の放電電
圧としてもよい。

【００２３】イオン電流は燃焼状態センサの周囲のイオ
ン電導度に比例するので、燃焼によって生じる炭化水素
や酸素のイオン量に関係する。燃焼室内でイオン量の時
間的な変化があればイオン電流も変化を反映するので、
イオン電流を分析することにより異常燃焼の有無を判断
できる。

【００２４】異常燃焼は次のようにして起きる。

【００２５】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、燃焼状態センサのイオン量に
疎密変化を与え、イオン電流が変動するので異常燃焼を
検出できる。

【００２６】更に、燃焼状態センサを複数個用意してあ
ればノック発生位置を測定でき、点火プラグの位置関係
から、どの点火がノック発生に支配的かを知ることがで
き個別に点火時期を制御できる。

【００２７】ノック検出手段としてのノック波形処理回
路の感度は図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、直流分を除くためにハイパス
フィルタとし、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、または周波数分析結果に補正
を行う。全体の増幅度はハイパスフィルタ出力の大きさ
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。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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】デジタルフィルタとしては図３−（ａ）に
示したような非回帰形や（ｂ）の回帰形フィルタがあ
る。（ｃ）のＦＦＴを用いた時は同時に複数の周波数成
分を抽出できる。

【００３２】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とすると、 Ｆ＝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。この場合、両隣の周波数の相加平均を用いて
もよい。または帯域毎の分析結果からノックを検出して
もよい。

【００３３】図４にノック検出のアルゴリズムを示す。

【００３４】ノック信号のサンプリングは２５.６μｓ
毎に行う。

【００３５】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、Ｆ１〜Ｆ８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。

【００３６】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。

【００３７】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ＴＫとす
る。ｍは周波数帯域の分割数と実験により異なる。図４
ではｍ＝５を採用した。

【００３８】ノック指数ＴＫがしきい値を越えた時にノ
ック有りとする。

【００３９】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。

【００４０】 ＢＧＬｎ＝ＢＧＬｎ＊（Ｋ−１）／Ｋ＋Ｆｎ／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。

【００４１】各燃焼状態センサ毎にこのノック検出を行
い、１ヶ所でもノック発生と判定した時はエンジン制御
ユニットにノック有りの信号を送る。同時にどの位置で
ノック有りと判定したかの情報も送る。

【００４２】図５でノック検出のための構成を示す。

【００４３】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。

【００４４】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，ノック波形処理回路からの信号
の立ち上がりを記憶するインプットキャプチャレジスタ
等からなっている。

【００４５】図６でノック検出のタイミングを示す。

【００４６】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。

【００４７】１回のサンプリング毎に前回との差分をと
り、所定値以上の時に燃焼開始と判断し、その時のポジ
ションカウンタの値をインプットキャプチャレジスタに
セットする。

【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。ノック判定結果と
インプットキャプチャレジスタの値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７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計の電
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。また、イ
オン量自体も減少するため感度の補正を行う。

【００５４】図８により、点火時期の制御ループの例を
示す。

【００５５】エンジン制御ユニットではノック検知をし
た点火プラグへの点火時期を所定量だけ遅らせる。また
はスワール発生機を調節して混合気の均一性を高めるよ
うにする。

【００５６】また、すべてのセンサ位置でノック有りと
判定した時はノック発生の位置から燃焼状態センサまで
の伝播時間が最も短い点火プラグへの点火時期を他に比
べて補正量を大きくしてもよい。

【００５７】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。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば燃焼室内のノック振動を
直接測定することができるのでノック検出感度が高い。
また、ノック発生の始まり位置を知ることができるの
で、複数の点火プラグ全体の点火時期制御を行う必要が
なく、点火時期が遅れるための点火エネルギの損失を低
減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の構成図である。

【図２】ノック発生時のモードと周波数を示す図であ
る。

【図３】デジタルフィルタの構成例を示す図である。

【図４】ノック検出のアルゴリズムを示す図である。

【図５】ノック検出ユニットの構成図である。

【図６】ノック検出のタイミングを示す図である。

【図７】エンジン制御ユニットでのノック制御の構成図
である。

【図８】点火時期の制御ループの例を示す図である。

【符号の説明】

１…エンジン制御ユニット、２…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
Ａ，７Ｂ…点火プラグ、８…点火コイル、１０…吸気流
量計、１１…気筒判別用レファレンスセンサ、１２…ク
ランクの回転角をはかるポジションセンサ、１３…スロ
ットルの開度を測るスロットルセンサ、１４…空燃比を
測る空燃比センサ、１５Ａ，１５Ｂ…燃焼状態センサ、
１６…ノック波形処理回路、１７…スワール発生機。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの燃焼室内の燃焼状態を検出する
   複数の燃焼状態センサを備え、このセンサの出力に基づ
   いて燃焼の良否を判定する点火時期制御装置において、
   上記燃焼状態センサの出力に含まれる少なくとも２つの
   所定の周波数成分をそれぞれ独立に分析する周波数分析
   手段と、この周波数分析手段から得られる複数の出力の
   演算結果からノック指数を算出するノック指数演算手段
   を設け、前述のノック指数によって個々の燃焼状態セン
   サの取付位置でのノック発生を判定し、ノック発生強度
   と発生位置を算出し、点火時期を制御することを特徴と
   する点火時期制御装置。
2. 【請求項２】請求項１においてノック発生位置にもっと
   も近い点火プラグの点火時期を他に比べて遅角側にする
   ことを特徴とする点火時期制御装置。