JPH06194249A - ノッキング制御方法および装置 - 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】 クランク角センサ５の出力に応答して、点火
行程に入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、所定のクランク角の期間を観測期間Ｗ１に設定し、
この観測期間Ｗ１内でノックセンサ２の出力の周波数解
析を行う。その解析結果において、観測期間Ｗ１の開始
時点から予め定める時間Ｗ４が経過したサンプリングタ
イミングのデータを、零または１／２などの予め定める
値に設定して、ノッキング判定のための指標値Ｓ０を求
める。したがって、バルブの開閉ノイズや点火ノイズな
どの発生タイミングが予め分かっているノイズ成分を除
去して、高精度なノッキング判定を行うことができる。

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方法およ
び装置に関する。

【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方法では、
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４（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４（２）で示されるように変化す
る。この図４（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４（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、クランク角セ
ンサの出力に応答してピストンの上死点間の所定タイミ
ング間にノッキング観測期間を設定し、前記観測期間の
開始時点から予め定めるサンプリングタイミングのデー
タは予め定める値として、前記観測期間におけるノック
センサの出力の周波数解析を行い、その解析結果のスペ
クトラム分布から、前記観測期間に亘るスペクトラムパ
ワーに基づいて算出された値を指標値に設定し、前記指
標値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ことを特徴とするノッキン
グ制御方法である。

【０００８】また本発明の前記予め定めるサンプリング
タイミングのデータは、その周波数解析結果が零として
取扱われることを特徴とする。

【０００９】さらにまた本発明の前記予め定めるサンプ
リングタイミングのデータは、該サンプリングタイミン
グのデータに予め定める係数を乗算した値として取扱わ
れることを特徴とする。

【００１０】また本発明の前記予め定めるサンプリング
タイミングのデータは、該サンプリングタイミングのデ
ータから予め定める値を減算した値として取扱われるこ
とを特徴とする。

【００１１】さらにまた本発明の前記予め定めるサンプ
リングタイミングのデータは、周波数解析にあたって、
データ無しとして取扱われることを特徴とする。

【００１２】また本発明は、内燃機関のノッキングを検
出するノックセンサと、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の所定タイミ
ング間に設定されるノッキング観測期間において、該観
測期間の開始時点から予め定めるサンプリングタイミン
グのデータは予め定める値として前記ノックセンサから
の出力の周波数解析を行う解析手段と、前記解析手段の
解析結果から、前記観測期間に亘る指標値を求める指標
値設定手段と、前記指標値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。

【００１３】

【作用】本発明に従えば、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１２０°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間がノッキン
グ観測期間に設定される。前記観測期間において、圧電
素子などで実現されるノックセンサの出力の周波数解析
が行われ、すなわち各周波数におけるスペクトラムパワ
ーが解析される。

【００１４】前記周波数解析を行うにあたって、本発明
では、観測期間の開始時点から予め定めるサンプリング
タイミングのデータは、予め定める値、たとえば零、ま
たは該サンプリングタイミングのデータに予め定める係
数を乗算した値、もしくは該サンプリングタイミングの
データから予め定める値を減算した値に設定される。あ
るいは、前記データはデータ無しとして取扱われてもよ
い。このように設定されたデータも含めた解析結果のス
ペクトラム分布から、たとえば前記スペクトラムパワー
の最大値などが選択されて観測期間に亘る指標値が設定
され、たとえばその指標値の予め定める演算タイミング
だけ以前の値までの平均値がノッキング判定基準に設定
され、この判定基準よりも今回の指標値が高いときには
ノッキングが発生しているものと判定し、点火進角量が
小さく制御される。

【００１５】このようにノックセンサの出力を周波数解
析した後、ノッキング判定を行うことによって、内燃機
関の気筒数などの種類や仕様の違いによる、またノッキ
ングの振動モードの違いによるノッキング周波数の違い
に容易に対応することができ、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。

【００１６】また、上述のように予め定めるサンプリン
グタイミングのデータを、前記各予め定める値などに設
定することによって、バルブの開閉ノイズや点火ノイズ
などの、内燃機関の回転速度に対応して発生タイミング
の異なるノイズをサンプリングデータから除去し、ある
いはデータを補正して用いることによって、さらに判定
精度を向上することができる。

【００１７】また本発明に従えば、上述のようなノッキ
ング判定を行うにあたって、圧電素子などで実現され、
シリンダブロックなどに取付けられるノックセンサと、
クランク軸の回転角度位置を検出するクランク角センサ
と、前記周波数解析を行う解析手段と、その解析結果か
ら前記指標値を求める指標値設定手段とを設け、求めら
れた指標値に基づいて制御手段が前述のようにノッキン
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。

【００１８】

【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、折返しノイズを
防止するために、たとえば遮断周波数が２０ｋＨｚのロ
ーパスフィルタ（略称ＬＰＦ）を介してアナログ／デジ
タル変換器４に入力される。

【００１９】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およびノイズ区間・帯域判別回路１０に
入力される。

【００２０】前記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。

【００２１】また、ノイズ区間・帯域判別回路１０は、
前記上死点から所定クランク角に発生するノイズ成分
を、後述するように除去あるいは補正するための出力を
ノッキング判定回路９へ出力する。

【００２２】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およびノイズ区間・
帯域判別回路１０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。

【００２３】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。

【００２４】図２は、本発明の一実施例のノッキング判
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２（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。

【００２５】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。

【００２６】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２（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２（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。

【００２７】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および図
２（３）で示されるように、周波数０〜２０ｋＨｚまで
の帯域において、複数の各周波数でのスペクラムパワー
を解析する。ノッキング判定回路９は、その解析結果に
対して、たとえば７ｋＨｚ，１１ｋＨｚ，１３ｋＨｚ，
１５ｋＨｚおよび１９ｋＨｚなどのノッキングの発生を
表す信号成分を含んでいる可能性のある周波数を中心と
して、参照符Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５（総称する
ときは参照符Ｆで示す）で示されるように、複数の各周
波数帯域Ｆを予め設定しておく。

【００２８】ノッキング判定回路９は、まず、前記各解
析区間Ｗ３毎の各周波数帯域Ｆにおいて、図２（４）で
示されるように、前記スペクラムパワーの最大値Ｐ１
１，Ｐ１２，…，Ｐ１５；Ｐ２１，Ｐ２２，…（総称す
るときは参照符Ｐで示す）を判定する。次に、各解析区
間Ｗ３の周波数帯域Ｆ毎に個別的に対応して設けられて
いる係数α１１，α１２，…，α１５；α２１，α２
２，…（総称するときは以下参照符αで示す）が乗算さ
れた後、各解析区間Ｗ３における全ての周波数帯域Ｆの
乗算結果が加算されて、各解析区間Ｗ３毎に区間指標値
Ｓ１，Ｓ２，…（総称するときは参照符Ｓで示す）が設
定される。こうして求められた各区間指標値Ｓが加算さ
れて、観測期間Ｗ１に亘る指標値Ｓ０が設定される。

【００２９】この指標値Ｓ０から、ノッキング判定基準
Ｖは、たとえば前回のノッキング判定基準をＶ（ｉ−
１）とするとき、式１で示すように、今回の指標値Ｓ０
に１／８の重み付けが行われて更新される。

【００３０】 Ｖ＝｛Ｖ（ｉ−１）×７＋Ｓ０｝／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
グ判定基準Ｖと今回の指標値Ｓ０とを比較し、指標値Ｓ
０が大きいときにはノッキングが発生しているものと判
断し、制御回路１１に点火進角量を小さくさせる。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。

【００３１】一方、前記ノイズ区間・帯域判別回路１０
は、前記クランクパルスの周期Ｗｉ，Ｗ（ｉ−１），…
を検出しており、その検出された周期Ｗｉ，Ｗ（ｉ−
１），…に対応して、上死点から時間Ｗ４だけ経過した
時点におけるサンプリングデータのうち、予め定める周
波数帯域のデータを零に設定する。すなわち図２（２）
において参照符Ｗ３ａを付して示す前記時間Ｗ４が経過
した時点におけるサンプリングデータを用いる解析区間
Ｗ３において、予め定める周波数帯域たとえばＦ２に対
応した係数α２２を零に設定し、残余の係数α１１〜α
１５；α２１，α２３，…を１に設定する。

【００３２】前記時間Ｗ４は、内燃機関の回転速度、す
なわち周期Ｗｉ，Ｗ（ｉ−１），…に対応して変化する
上死点からバルブの開閉によるノイズの発生するタイミ
ングまでの時間であり、前記周波数帯域Ｆ２はそのノイ
ズ成分を含んでいる可能性のある周波数帯域である。

【００３３】したがって、内燃機関が前記３０００ｒｐ
ｍであるときに、前記参照符Ｗ３ａを示される解析区間
で発生していたバルブノイズは、たとえば前記回転速度
が１５００ｒｐｍに低下すると、前記上死点から時間Ｗ
４ａだけ経過した解析区間Ｗ３ｂにおいて発生すること
になる。

【００３４】ノイズ区間・帯域判別回路１０は、このよ
うな回転速度に対応したノイズ発生タイミングの変化
と、ノイズ周波数との関係を表すマップなどを予めスト
アしており、計測された前回の周期Ｗ（ｉ−１）に対応
して今回の周期Ｗｉにおける時間Ｗ４および周波数帯域
Ｆを選択する。これによって、参照符Ｐ０で示されるノ
イズの影響による解析区間Ｗ３ａの周波数帯域Ｆ２のデ
ータを零として、高精度な判定を行うことができる。

【００３５】なお前記時間Ｗ４および係数αは、バルブ
の開閉ノイズ以外にも、点火ノイズなどの、予め定めら
れたタイミングで発生するそれぞれのノイズに対応して
設定されてもよい。また、ノイズの混入している可能性
のある解析区間の周波数帯域のデータには、たとえば
０．５などの他の係数が乗算されてノッキング判定に用
いられてもよく、さらにまたスペクトラムパワーの解析
結果から予め定める値を減算するようにしてノッキング
判定に用いられてもよい。あるいは指標値Ｓ０が各指標
値Ｓの平均値に基づいて求められるときなどでは、デー
タ無しとして取扱われてもよい。

【００３６】前記指標値Ｓ０は上述のように各指標値Ｓ
の平均値から求められてもよく、また各指標値Ｓの最大
値に選ばれてもよい。同様に、各指標値Ｓは各周波数帯
域Ｆの最大値データの最大値に選ばれてもよく、このよ
うに指標値Ｓ０，Ｓは他の方法によって求められてもよ
い。また、ノッキング判定も、各指標値Ｓ毎にノッキン
グ判定基準Ｖと比較するなどの他の方法が用いられても
よい。

【００３７】このように本発明に従うノッキング制御方
法では、ノックセンサ２の出力の周波数解析を行うにあ
たって、内燃機関の回転速度などに対応して発生タイミ
ングや周波数帯域が変化するノイズ成分が含まれている
可能性のあるサンプリングデータを削除または補正して
用いるので、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。また、サンプ
リング周期である解析区間Ｗ３およびその解析区間Ｗ３
当りのサンプリングデータ数を一定にして周波数解析を
行うので、内燃機関の回転速度が変化しても容易に解析
を行うことができる。

【００３８】

【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。また、バル
ブの開閉ノイズや点火ノイズなどの内燃機関の回転速度
に対応して発生タイミングが変化するノイズ成分に対し
ても、その成分を除去あるいは補正して周波数解析を行
うので、判定精度をさらに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。

【図２】本発明の一実施例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３】周波数解析結果の例を示す図である。

【図４】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 ノイズ区間・帯域判別回路 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 (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 クランク角センサの出力に応答してピス
   トンの上死点間の所定タイミング間にノッキング観測期
   間を設定し、 前記観測期間の開始時点から予め定めるサンプリングタ
   イミングのデータは予め定める値として、前記観測期間
   におけるノックセンサの出力の周波数解析を行い、 その解析結果のスペクトラム分布から、前記観測期間に
   亘るスペクトラムパワーに基づいて算出された値を指標
   値に設定し、 前記指標値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ことを特徴
   とするノッキング制御方法。
2. 【請求項２】 前記予め定めるサンプリングタイミング
   のデータは、その周波数解析結果が零として取扱われる
   ことを特徴とする請求項１記載のノッキング制御方法。
3. 【請求項３】 前記予め定めるサンプリングタイミング
   のデータは、該サンプリングタイミングのデータに予め
   定める係数を乗算した値として取扱われることを特徴と
   する請求項１記載のノッキング制御方法。
4. 【請求項４】 前記予め定めるサンプリングタイミング
   のデータは、該サンプリングタイミングのデータから予
   め定める値を減算した値として取扱われることを特徴と
   する請求項１記載のノッキング制御方法。
5. 【請求項５】 前記予め定めるサンプリングタイミング
   のデータは、周波数解析にあたって、データ無しとして
   取扱われることを特徴とする請求項１記載のノッキング
   制御方法。
6. 【請求項６】 内燃機関のノッキングを検出するノック
   センサと、 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
   トンの上死点間の所定タイミング間に設定されるノッキ
   ング観測期間において、該観測期間の開始時点から予め
   定めるサンプリングタイミングのデータは予め定める値
   として前記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から、前記観測期間に亘る指標
   値を求める指標値設定手段と、 前記指標値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。