JPH06186113A - ノッキング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内燃機関の種類や仕様の違いに容易に対応可
能とするとともに、ノッキングを高精度に検出する。 【構成】 ノックセンサ２からの出力は、ＢＰＦ１０を
介して周波数解析器８に入力される。前記ＢＰＦの濾波
帯域Ｆは、バルブの開閉ノイズや点火ノイズなどのノイ
ズ帯域を除き、かつ振動モードによって異なる複数のノ
ッキング周波数帯域に設定される。前記周波数解析器８
の解析結果のスペクトラム分布からノッキング判定基準
Ｖが作成され、該基準Ｖを用いた判定結果に対応して点
火時期制御が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の点火時期制
御装置などで好適に実施されるノッキング制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の点火時期制御を行うにあたっ
て、従来から用いられているノッキング制御装置では、
内燃機関のノッキングによる振動を検出するノックセン
サからの出力のうち、ノッキングによる周波数成分のみ
をバンドパスフィルタによって濾波し、その濾波出力を
レベル弁別することによってノッキングの有無を判定
し、その判定結果に対応して点火進角量を制御するよう
に構成されている。前記ノックセンサは、シリンダブロ
ックに取付けられる、いわゆるピエゾ式の加速度センサ
や、シリンダ内圧を検出する圧力センサなどで実現され
る。

【０００３】

【発明が課題が解決しようとする課題】上述の従来技術
では、前記バンドパスフィルタの中心周波数は、ノッキ
ングによるシリンダブロックの共振周波数の代表値であ
る、たとえば７．１ｋＨｚに選ばれている。しかしなが
ら実際には、図６（１）で示す複数の各共振モードに対
応して、共振周波数は図６（２）で示されるように変化
する。この図６（１）はシリンダ内の圧力分布を示す図
であり、参照符＋は相対的に圧力が高い領域を示し、参
照符−は相対的に圧力が低い領域を示す。

【０００４】図６（２）から明らかなように、共振モー
ドが異なると共振周波数も大きく異なってしまい、また
この共振周波数は、内燃機関の気筒数や、検出すべき気
筒とセンサとの距離差によっても変化する。したがっ
て、内燃機関の種類や仕様毎に前記共振周波数がばらつ
いてしまい、前記バンドパスフィルタの共振周波数の合
わせ込みが煩雑になるという問題がある。

【０００５】また、排ガス浄化の観点や低燃費化の観点
から、自動車メーカでは圧縮比を上げることによってこ
れらの改善を図ろうとしている。しかしながら、高回転
側になるにつれて増加する前記７．１ｋＨｚ以外の共振
周波数成分の影響を軽減するために、高回転時の点火時
期は低回転時の最適値よりも大きく遅角されている。

【０００６】本発明の目的は、内燃機関の種類や仕様の
違いに容易に対応することができるとともに、ノッキン
グを高精度に検出することができるノッキング制御方法
および装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関のノ
ッキングを検出するノックセンサと、前記ノックセンサ
の出力から予め定める複数の周波数帯域の信号成分のみ
を濾波するフィルタ手段、内燃機関の回転角度位置を検
出するクランク角センサと、前記クランク角センサの出
力に応答して内燃機関のピストンの上死点間に設定され
る所定のノッキング観測期間において、前記フィルタ手
段を介するノックセンサからの出力の周波数解析を行う
解析手段と、前記解析手段の解析結果に基づいてノッキ
ング判定を行い、その判定結果に対応して点火進角を制
御する制御手段とを含むことを特徴とするノッキング制
御装置である。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、内燃機関のシリンダブロック
等に取付けられ圧電素子などで実現されるノックセンサ
の出力は、バンドパスフィルタなどで実現されるフィル
タ手段を介して解析手段に入力される。前記バンドパス
フィルタは、その濾波周波数帯域の中心周波数が、たと
えば７ｋＨｚ、１１ｋＨｚ、１３ｋＨｚ、１５ｋＨｚお
よび１９ｋＨｚに設定されている。したがって、内燃機
関の気筒数や、検出すべき気筒とノックセンサとの距離
差などの内燃機関の種類や仕様毎に異なる共振周波数に
対して、ノッキングによる信号成分のみを濾波すること
ができる。また、バルブの開閉、点火火花およびターボ
チャージャのタービンの共振などによるノイズ成分を除
去することができる。

【０００９】一方、解析手段では、クランク角センサの
出力に応答して、内燃機関が、たとえば４気筒４サイク
ルの内燃機関である場合には１８０°クランク角（以
下、°ＣＡという）毎の、また６気筒である場合には１
２０°ＣＡ毎の、或る気筒のピストンが上死点に到達し
てから次の気筒のピストンが上死点に到達するまでの期
間において、たとえば上死点から１０°〜１１０°ＣＡ
間をノッキング観測期間に設定する。この観測期間にお
いて、前記フィルタ手段を介するノックセンサの出力の
周波数解析が行われ、すなわち複数の各周波数における
スペクトラムパワーが解析される。

【００１０】その解析結果のスペクトラム分布から、制
御手段は、たとえばスペクトラムパワーの最大値の予め
定める演算タイミングだけ以前までの平均値を求めてノ
ッキング判定基準とし、前記最大値がこのノッキング判
定基準以上となるとノッキングが発生していると判定
し、点火進角量を小さく制御する。

【００１１】このように周波数解析を行うことによって
もまた、内燃機関の種類や仕様の違いに対しても、また
ノッキングの振動モードの違いに対しても、正確にノッ
キング判定を行うことができ、汎用性を向上することが
できるとともに、判定精度を向上することができる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例のノッキング制御
方法が用いられる内燃機関の点火時期制御装置１の電気
的構成を示すブロック図である。いわゆるピエゾ式の加
速度センサ等の圧電素子などで実現されるノックセンサ
２は、内燃機関のシリンダブロックなどに固定されてい
る。このノックセンサ２からの出力は、後述するバンド
パスフィルタ（略称ＢＰＦ）１０からローパスフィルタ
（略称ＬＰＦ）３を介してアナログ／デジタル変換器４
に入力される。前記ＬＰＦ３は、デジタル演算処理によ
る折返しノイズを防止するために設けられており、その
遮断周波数はたとえば２０ｋＨｚに選ばれている。

【００１３】一方、内燃機関の回転角度位置を検出する
ために設けられているクランク角センサ５からは、点火
行程に入ろうとする気筒のピストンが上死点に到達する
毎に、すなわちたとえば内燃機関が４気筒４サイクルの
内燃機関であるときには１８０°ＣＡ毎にクランクパル
スが導出され、また６気筒であるときには１２０°ＣＡ
毎にクランクパルスが導出される。前記クランクパルス
は、入力インタフェイス回路６を介してサンプリング信
号発生回路７に入力される。このサンプリング信号発生
回路７からは、前記クランクパルスに応答してサンプリ
ング信号が導出され、前記アナログ／デジタル変換器４
は、このサンプリング信号に同期して前記ノックセンサ
２からの出力を、たとえば４０ｋＨｚのサンプリング周
波数でデジタル値に変換した後、周波数解析器８へ出力
する。

【００１４】周波数解析器８は、いわゆるデジタルシグ
ナルプロセッサなどで実現され、前記サンプリング信号
に同期して、デジタル値に変換されたノックセンサ出力
を高速フーリエ変換（Fast Fourier Transformation)法
によって周波数解析を行い、その解析結果をノッキング
判定回路９に出力する。ノッキング判定回路９は後述す
るようにして、前記周波数解析器８の出力に基づいて作
成するノッキング周波数、ノッキング信号のみを通過さ
せるためにフィルタリングすべきノッキング周波数帯幅
および信号レベルからノッキング信号と判定するノッキ
ング判定基準Ｖに基づいて、ノッキングが発生している
か否かの判定を行い、その判定結果をマイクロコンピュ
ータなどで実現される制御回路１１へ導出する。

【００１５】前記制御回路１１に関連して、吸気圧セン
サ１２、冷却水温度センサ１３、および吸気温度センサ
やスロットル弁開度センサなどの他のセンサ１４が設け
られており、これらのセンサ１２〜１４の検出結果は入
力インタフェイス回路１５を介してアナログ／デジタル
変換器１６に入力され、デジタル値に変換された後、前
記制御回路１１に入力されている。制御回路１１にはま
た前記クランク角センサ５からのクランクパルスが入力
されており、制御回路１１はこのクランクパルスに応答
して、ノッキング判定回路９の判定結果およびセンサ１
２〜１４の検出結果に基づいて点火進角量を演算する。
こうして演算された点火進角量となるように、制御回路
１１は出力インタフェイス回路１７を介してイグナイタ
１８へ点火信号を出力し、点火プラグ１９の点火タイミ
ングを駆動制御する。このようにして、ノッキングの発
生を抑えて、大きな点火進角量で点火時期制御を行うこ
とができる。

【００１６】前記ＢＰＦ１０は、前述のような内燃機関
の各種の振動モードに対応して、たとえば５つのＢＰＦ
部分が並列に接続されて構成されており、各ＢＰＦ部分
の中心周波数は、ほぼ７ｋＨｚ、１１ｋＨｚ、１３ｋＨ
ｚ、１５ｋＨｚおよび１９ｋＨｚにそれぞれ設定されて
いる。したがって、図２（１）で示されるノックセンサ
２の出力は、図３（１）で示されるようにノッキングに
よる信号成分を含んでいる可能性のある周波数帯域Ｆ
１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５（総称するときは、以下参
照符Ｆで示す）のみが濾波され、参照符Ｆａで示される
ような、バルブの開閉、点火火花およびターボチャージ
ャのタービンの共振などによるノイズ成分を除去するこ
とができる。

【００１７】図４は、本発明のノッキング判定方法の考
え方を説明するための図である。ノックセンサ２からの
図４（１）で示される出力に対して、観測期間Ｗ１は、
ピストンの上死点（ＴＤＣ）間において、前記上死点か
ら期間Ｗ２、たとえば１０°ＣＡだけ経過した時点か
ら、たとえば１１０°ＣＡに到達するまでの期間に設定
される。

【００１８】今、内燃機関を４気筒４サイクルとし、ク
ランク角センサ５によって検出される内燃機関の回転速
度を３０００ｒｐｍとするとき、前記上死点間は１８０
°ＣＡとなり、その時間は１０ｍｓｅｃとなる。また、
前記期間Ｗ２が経過した観測期間Ｗ１の開始時点は前記
上死点から０．５６ｍｓｅｃだけ経過した時点であり、
該観測期間Ｗ１の終了時点は前記上死点から６．１１ｍ
ｓｅｃが経過した時点となる。

【００１９】一方、アナログ／デジタル変換器４のサン
プリング周波数を前述のように４０ｋＨｚとし、また周
波数解析を行うにあたって、周波数解析器８内でデータ
を蓄積することができるＲＡＭ容量を６４データ分とす
ると、図４（２）において参照符Ｗ３で示される一解析
区間は１．６ｍｓｅｃとなる。したがって、前述のよう
に内燃機関の回転速度が３０００ｒｐｍであるときに
は、前記観測期間Ｗ１内において、この解析区間Ｗ３は
図４（２）で示されるように約３．５回だけ設定するこ
とができ、また１５００ｒｐｍのときには約７回設定す
ることができる。

【００２０】周波数解析器８は、前記解析区間Ｗ３内で
の全てのサンプリングデータに基づいて、図３（２）お
よび図４（３）で示されるように、周波数ｆ０からｆｎ
までの帯域において、複数の各周波数でのスペクトラム
パワーを解析する。ノッキング判定回路９は、その解析
結果に基づいて図４（４）で示されるように、複数の解
析区間Ｗ３から成る各観測期間Ｗ１において、それぞれ
スペクトラムパワーの最大値Ｐを指標値Ｓ１，Ｓ２，Ｓ
３，…（総称するときは以下参照符Ｓで示す）に設定す
る。

【００２１】この指標値Ｓから、ノッキング判定値ｖ
は、たとえば前回のノッキング判定値をｖ（ｉ−１）と
するとき、式１で示すように、前回の指標値Ｓ（ｉ−
１）に１／８の重み付けを行うフィルタ処理が施されて
更新される。

【００２２】 ｖ＝｛ｖ（ｉ−１）×７＋Ｓ（ｉ−１）｝／８ …（１） ノッキング判定回路９は、こうして求められたノッキン
グ判定値ｖをたとえば３倍した値に設定されるノッキン
グ判定基準Ｖを今回の指標値Ｓｉが超えると、ノッキン
グが発生したものと判断し、制御回路１１に点火進角量
を小さくさせる。

【００２３】すなわちたとえば、前回の判定値ｖ（ｉ−
１）を５０とし、前回の指標値Ｓ０を１００とすると
き、今回の判定値ｖは前記式１から、（５０×７＋１０
０）／８＝５６．２５となる。したがってノッキング判
定基準Ｖは、５６．２５×３＝１６８．７５となる。し
たがって、前記図４（３）において参照符Ｐで示される
今回の指標値Ｓ１が１３０であるとすると、ノッキング
判定基準Ｖ以下となり、ノッキングが発生していないも
のと判定される。

【００２４】これに対して次の指標値Ｓ２が、たとえば
２４０であるときには、前記式１から判定値ｖは（５
６．２５×７＋１３０）／８＝６５．４７であり、ノッ
キング判定基準Ｖは８０．４７×３＝１９６．４１とな
り、ノッキングが発生していると判定される。このよう
にして、ノックセンサ２の出力に対応した点火時期制御
が行われる。

【００２５】なお上述の実施例では、ノッキング判定
は、各観測期間Ｗ１内において参照符Ｐ，Ｐａで示され
る複数のスペクトラムパワーのピーク値のうち、最大値
となる単一のピーク値Ｐが前記ノッキング判定基準Ｖを
それぞれ超えているか否かで行われたけれども、本発明
の他の実施例として、予め定める複数個、たとえば３個
以上のピーク値が前記ノッキング判定基準Ｖを超えてい
るか否かによって行われてもよい。

【００２６】またこの場合、最大値Ｐとなった周波数と
は異なる周波数のピーク値が前記予め定める複数個だけ
前記ノッキング判定基準Ｖを超えているか否かによって
判定が行われてもよい。すなわち、一観測期間Ｗ１に亘
って、同一の周波数であっても、各解析区間Ｗ３毎に求
められた複数個のスペクトラムパワーのデータのうち、
最大値のみをノッキング判定に用いる。これによって、
前記共振モードに対応して、７ｋＨｚ，１１ｋＨｚ，１
３ｋＨｚ，１５ｋＨｚまたは１９ｋＨｚに現れるノッキ
ング信号成分のうち、前記予め定める複数個の信号成分
がノッキング判定基準Ｖを超えるとノッキング判定が行
われる。したがって、判定精度を向上することができ
る。

【００２７】図５は、図４における指標値設定動作を説
明するためのフローチャートである。ステップｍ１で
は、カウンタのカウント値ｉが０にリセットされる。な
お、このカウント値ｉの最小値は０であり、最大値は、
解析対象周波数をｆ０〜ｆｎＨｚとし、周波数解析器８
の分解能をｆｄＨｚとするとき、（ｆｎ−ｆ０）／ｆｄ
の整数値となる。

【００２８】ステップｍ２では、全ての周波数について
のスペクトラムパワーの比較が終了したか否かが判断さ
れ、そうでないときにはステップｍ３に移る。ステップ
ｍ３では、ｉ番目の周波数ｆｉは前記周波数帯域Ｆ内で
あるか否かが判断され、そうでないときにはステップｍ
７に移って最大値判別は行われず、そうであるときには
ステップｍ４に移る。ステップｍ４では前記周波数ｆｉ
のスペクトラムパワーＰｉが読込まれ、ステップｍ５で
はそれまでの最大値Ｐと今回のスペクトラムパワーＰｉ
とが比較され、今回のスペクトラムパワーＰｉが大きい
ときにはステップｍ６で前記最大値Ｐが今回のスペクト
ラムパワーＰｉに更新された後、ステップｍ７に移り、
そうでないときには直接ステップｍ７に移る。

【００２９】ステップｍ７では、前記カウント値ｉに１
が加算されて更新された後、前記ステップｍ２に戻る。
こうして或る解析区間Ｗ３の周波数ｆ０〜ｆｎに亘って
スペクトラムパワーＰｉの最大値Ｐが検索されるとステ
ップｍ２からステップｍ８に移り、全ての解析区間Ｗ３
の比較が終了したか否かが判断され、そうでないとき、
すなわち未だ比較していない解析区間Ｗ３が残っている
ときには前記ステップｍ１に戻り、残っていないときに
は、検索された最大値Ｐが前記観測期間Ｗ１の指標値Ｓ
として設定される。

【００３０】このようにして本発明に従う点火時期制御
装置１では、ノックセンサ２の出力からＢＰＦ１０によ
ってノッキングによる信号成分を含んでいる可能性のあ
る周波数帯域Ｆのみを濾波した後、周波数解析を行うの
で、前記図２（１）で示されるノックセンサ２の出力か
ら、図３（２）で示されるような濾波および周波数解析
後のスペクトラム分布を得ることができ、ノイズ成分Ｆ
ａが除去されたノッキング信号成分のみを正確に抽出す
ることができる。また、前記図２（１）で示されるノッ
クセンサ２の出力を、直接、周波数解析を行ったときに
は図２（２）で示されるようになり、したがって図３
（２）で示されるようにＢＰＦ１０を介在した場合に
は、解析結果のＳ／Ｎ比を向上することができる。

【００３１】このようにして、内燃機関の気筒数などの
種類や仕様の違いに対しても、またノッキングの振動モ
ードの違いに対しても、ノックセンサ２の出力からノッ
キング成分を正確に抽出してノッキング判定を行うこと
ができ、汎用性を向上することができるとともに、判定
精度を向上することができる。

【００３２】なお、上述の実施例では、ノックセンサ２
の出力から周波数帯域Ｆの信号成分を抽出するためにＢ
ＰＦ１０が用いられたけれども、本発明の他の実施例と
して、このようないわゆるハードウェア処理によるので
はなく、デジタルフィルタなどによるソフトウェア処理
によって、このような動作が実現されてもよい。

【００３３】また、前記ノッキング判定値ｖは、前回の
指標値をＳ（ｉ−１）とし、前々回の指標値をＳ（ｉ−
２），…とするとき、式２で示すようにして求められて
もよい。

【００３４】 ｖ＝{Ｓ(ｉ−１)＊α１＋Ｓ(ｉ−２)＊α２＋…Ｓ(ｉ−ｎ)＊αｎ｝／ｎ …（２） すなわちたとえば、α１＝２、α２＝１．６、α３＝
１．２、…とすると、前回の指標値Ｓ（ｉ−１）からｎ
−１演算周期以前の指標値Ｓ（ｉ−ｎ）までのうち、新
しい指標値ほど影響度が大きくなるように重み付けを行
った移動平均を求めることができる。

【００３５】さらにまた上述の各実施例では、ノッキン
グ判定値ｖは、連続する指標値Ｓ（ｉ−１），Ｓ（ｉ−
２），…から求められたけれども、本発明のさらに他の
実施例として、たとえば４気筒の場合にはＳ（ｉ−
１），Ｓ（ｉ−５），Ｓ（ｉ−９），…、また６気筒の
場合にはＳ（ｉ−１），Ｓ（ｉ−７），Ｓ（ｉ−１
３），…、というように、各気筒毎にデータをまとめる
ようにしてもよい。これによって、ノックセンサ２から
の距離差などによる該ノックセンサ２の各気筒毎の検出
感度のばらつきにも対応することができ、さらに高精度
なノッキング判定を行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、内燃機関
の気筒数などの種類や仕様の違いに対しても、またノッ
キングの振動モードの違いに対しても、ノックセンサの
出力からノッキング成分を正確に抽出してノッキング判
定を行うことができ、汎用性を向上することができると
ともに、判定精度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のノッキング制御装置１の電
気的構成を示すブロック図である。

【図２】ノックセンサ出力およびその周波数解析結果の
例を示す図である。

【図３】ＢＰＦ出力およびその周波数解析結果の例を示
す図である。

【図４】本発明のノッキング判定方法の考え方を説明す
るための図である。

【図５】図４における指標値設定動作を説明するための
フローチャートである。

【図６】ノッキングによるシリンダブロックの共振モー
ドと、共振周波数との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 点火時期制御装置 ２ ノックセンサ ５ クランク角センサ ７ サンプリング信号発生回路 ８ 周波数解析器 ９ ノッキング判定回路 １０ ＢＰＦ １１ 制御回路 １２〜１４ センサ Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，… 指標値 Ｗ１ 観測期間 Ｗ３ 解析区間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のノッキングを検出するノック
   センサと、 前記ノックセンサの出力から予め定める複数の周波数帯
   域の信号成分のみを濾波するフィルタ手段と、 内燃機関の回転角度位置を検出するクランク角センサ
   と、 前記クランク角センサの出力に応答して内燃機関のピス
   トンの上死点間に設定される所定のノッキング観測期間
   において、前記フィルタ手段を介するノックセンサから
   の出力の周波数解析を行う解析手段と、 前記解析手段の解析結果に基づいてノッキング判定を行
   い、その判定結果に対応して点火進角を制御する制御手
   段とを含むことを特徴とするノッキング制御装置。