JPH0635937B2 - 内燃機関のノッキング検出装置 - Google Patents

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検出装置に関し、詳しく
は、機関振動の検出信号からノッキング発生を検出する
装置の改善技術に関する。

〈従来の技術〉 内燃機関において、所定レベル以上のノッキングが発生
すると、出力を低下させるのみならず、衝撃により吸・
排気バルブやピストンに悪影響を及ぼすため、ノッキン
グを検出して点火時期を補正することにより速やかにノ
ッキングを回避するようにした点火時期制御装置を備え
ているものがある（特開昭５８−１０５０３６号公報等
参照）。

かかるノッキング発生による点火時期補正のためのノッ
キング検出は、従来以下のようにして行っていた。即
ち、第５図に示すように、圧電素子によって振動レベル
に応じた検出信号を出力するノックセンサ11を機関のシ
リンダブロック等に取付け、相互に異なる中心周波数に
設定されたバンドパスフィルター13，14，15によって前
記ノックセンサ11の検出信号からノッキング特有の周波
数の成分をそれぞれ取り出し、抵抗ＲとコンデンサＣと
からなるノイズフィルターを通過させた後、アナログ／
デジタル（以下、単にＡ／Ｄとする。）変換器16でＡ／
Ｄ変換してマイクロコンピュータ17に入力させる。

そして、マイクロコンピュータ17では、バンドパスフィ
ルター13，14，15によって得られた各周波数成分の非ノ
ッキング時とノッキング時とのレベル差や特定周波数の
波形の時間的な変化特性等に基づいてノッキングの発生
を検出する。

また、第６図に示すように、ノッキングセンサ11の検出
信号をそのままＡ／Ｄ変換器16でＡ／Ｄ変換してマイク
ロコンピュータ17に入力させ、マイクロコンピュータ17
で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の演算によって信号解
析を行って、ノッキング特有の周波数成分を取り出し、
前述のようにノッキング発生を検出する場合もある。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、上記の第５図に示すようにバンドパスフィル
ターによってノッキング振動が顕著となる周波数成分を
取り出す構成の場合、複数種の周波数成分によってノッ
キングを検出しようとすると、それだけ部品点数が多く
なり、また、フィルターが多くなる分だけマッチング時
間を要するため，コスト高になってしまうという問題が
ある。

また、第６図に示すような構成によりマイクロコンピュ
ータ内で高速フーリエ変換演算などの信号解析を行わ
せ、第７図に示すような周波数スペクトルを求める場合
には、部品点数やマッチング時間の増大という前記アナ
ログのバンドパスフィルターを用いた場合の欠点を解消
できるが、演算のために多くのメモリ容量を必要とする
と共に、抽出した特定周波数の波形の時間的推移をリア
ルタイムに得ることができないため、波形の時間的推移
に基づくノッキング検出が行えないという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、振動セ
ンサ（ノックセンサ）の検出信号から複数種の特定周波
数成分を取り出しノッキング検出を行わせるときに、部
品点数やマッチング時間を節約でき、然も、取り出した
特定周波数の波形の時間的推移をリアルタイムに検出す
ることができるようにすることを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 そのため本発明にかかる内燃機関のノッキング検出装置
は第１図に示すように構成される。

第１図において、振動センサは、機関本体に付設されて
機関振動を検出し、この振動センサの検出信号がＡ／Ｄ
変換器によってＡ／Ｄ変換されて機関振動のデジタルデ
ータを得る。

そして、この機関振動のデジタルデータは、くし形フィ
ルタに入力されて処理される。このくし形フィルタは、
Ａ／Ｄ変換された検出信号を入力する複数段の遅延素子
と、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換されたデータとＡ／Ｄ変
換後に前記複数段の遅延素子で遅延されたデータとを加
算する加算器とを含んで構成されている。

かかるくし形フィルタで処理されたデータは、相互に異
なる周波数成分と共振する複数の共振器にそれぞれ入力
され、該複数の共振器それぞれから得られる相互に異な
る特定周波数成分に基づきノッキング判別手段がノッキ
ング発生を判別する。

〈作用〉 かかる構成によると、振動センサからのアナログとして
の検出信号が、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換され、このＡ
／Ｄ変換して得たデジタル検出信号らくし形フィルタ及
び共振器からなる所謂デジタルフィルタによって、複数
種の特定周波数成分の強度（振幅）が取り出される。即
ち、くし形フィルタでは、遅延素子によって遅延さてた
信号と遅延素子をバイパスした信号とを加算器で加算す
ることで特定周波数を打ち消す処理を行い、これによっ
て共振器の共振を打ち消すようにしてあり、かかる構成
を複数段備えることで複数種の周波数成分の強度を抽出
できるものである。

従って、ノッキングが顕著となる周波数成分の強度変化
をリアルタイムに検出することが、多くのメモリ容量を
必要とせずに可能となる。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を説明する。

一実施例を示す第２図において、図示しない内燃機関の
シリンダブロック（本体）に付設されたノックセンサ
（振動センサ）１は、圧電素子を内蔵し、機関振動に応
じた波形のアナログ電圧信号を出力する。

該ノックセンサ１の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２でＡ／
Ｄ変換されることより、不要な高周波成分がカットされ
てからくし形フィルタ３に入力される。

前記くし形フィルタ３は、抽出したい周波数の数に対応
して複数段設けられた遅延素子４ａ，４ｂ，・・・と加
算器５とから構成され、前記複数段の遅延素子４ａ，４
ｂ，・・・で遅延されかつ正負を逆転させたデータと、
遅延素子４ａ，４ｂ，・・・をバイパスしたデータとを
加算器５で加算することにより、検出信号レベルを全体
的に減衰させると共に、特に遅延時間に対応する周波数
を加算器５で消し合わせて、周波数特性として所謂くし
形となる結果が得るようになっている。

くし形フィルタ３は、ノッキング検出に用いる周波数の
数に対応して設けられ並列接続された複数の共振器６
ａ，６ｂ，・・・に対して直列に接続されており、くし
形フィルタ３の出力が相互に共振周波数の異なる複数の
共振器６ａ，６ｂ，・・・にそれぞれ入力され、遅延素
子，加算器，掛算器で構成される共振器６ａ，６ｂ，・
・・は、それぞれ特定周波数の成分と共振して、それぞ
れの周波数の振幅値（強度）をリアルタイムで出力す
る。

このように、くし形フィルタ３で処理されたデジタル信
号に基づいて共振器６ａ，６ｂ，・・・をそれぞれ共振
させるようにすれば、加算器５で消し合わされる信号に
基づいて各共振器６ａ，６ｂ，・・が共振し続けること
を抑止し、各周波数成分の強度が遂次得られるものであ
る。

ここで、必要とする周波数の種類に対応させて共振器６
ａ，６ｂ，・・・を設け、これに対応させて遅延素子４
ａ，４ｂ，・・・の数が決定されるが、共振器６ａ，６
ｂ，・・・それぞれの共振周波数は、ノッキング振動が
顕著となる７kHz 〜９kHz 及びその周辺周波数域から適
宜選択し、例えば７kHz ，８kHz ，９kHz ，10kHz ，11
kHz の５種類程度とすると良い。

それぞれの共振器６ａ，６ｂ，・・・からの第４図に示
すような出力データは、ノッキング判別手段としてのマ
イクロコンピュータ７に入力され、該マイクロコンピュ
ータ７が予め記憶されているＲＯＭ上のプログラムに従
ってノッキング検出を行う。

かかる構成において、ノックセンサ１からの検出信号か
ら、ノッキング振動が顕著となる複数種の周波数成分を
抽出するに当たり、くし形フィルタ３と共振器６ａ，６
ｂ，・・・とからなる所謂デジタルフィルタを用いるよ
うにしてあるので、マイクロコンピュータ７に入力させ
た検出信号から高速フーリエ変換の演算によって特定周
波数成分を取り出す場合に比べ、各周波数成分の強度
（振幅）を、多くのメモリ容量を必要とすることなくリ
アルタイムに得ることができ（第４図参照）、またバン
ドパスフィルタのようなアナログフィルタを用いた場合
のように多くのマッチング工数を必要とすることもな
い。

前述のようにして得られる各特定周波数成分毎の強度変
化の情報に基づくノッキング判別は、例えば第３図のフ
ローチャートに示すようにして行われる。

第３図のフローチャートに示すノッキング発生検出は、
所定の周波数分析区間において行われるものであり、前
記所定の周波数分析区間とは、例えば点火雑音を避けて
各気筒の燃焼振動をサンプリングできる区間であり、例
えば６気筒機関においてＡＴＤＣ10゜〜ＡＴＤＣ60゜と
し、図示しないクランク角センサからの検出信号に基づ
いてかかる所定の周波数分析区間を検出する。

まず、周波数分析区間に入ったことが検出されると、各
共振器６ａ，６ｂ，・・・を介して入力される各周波数
成分の強度（振幅）をそれぞれ初期値として記憶する
（Ｓ１）。

そして、各周波数成分毎に記憶された初期値がそれぞれ
変わらず、前記周波数分析区間において一定レベルの強
度が続くと仮定し、このときの前記強度の積分値の時間
軸変化を標本周期と前記初期値とに基づいて設定し、こ
れを各周波数成分毎の規範変化特性とする（Ｓ２）。

次に、実際に入力される各周波数成分毎に求められる強
度の時間的推移（第４図参照）に基づき、かかる強度を
それぞれに時間軸上に標本周期毎に積分し、周波数分析
区間内における強度変化の特性を検出する（Ｓ３）。

そして、前述のように強度が不変であると仮定して得た
各周波数成分毎の規範変化特性と、実際に検出された各
周波数成分毎の強度積分値の変化の特性とをそれぞれ比
較する（Ｓ４）。

ここで、規範変化特性は、強度変化がないことを前提と
しているのでリニアに増大することになるが、これに対
し、実際の検出信号に基づいて得た強度積分値の変化特
性が合致しない場合には、その周波数成分にノッキング
振動が含まれているために、一定の強度で安定していな
いものと推定してノッキング発生を判別する（Ｓ５）
が、実際の検出信号に基づく強度積分値も前記規範変化
特性と同様に略リニアに増大変化する場合には、その周
波数成分については機械振動のみであると推定してノッ
キングが発生していないものとする（Ｓ６）。

かかる判別を各共振器６ａ，６ｂ，・・・に対応する周
波数成分毎に行わせ、例えば、過半数の周波数でノッキ
ングが判別されたときを最終的にノッキング発生と判別
させるようにする。

尚、規範変化特性と実際の検出信号に基づく変化特性と
の比較は、例えば、同一時間軸における積分値の差を積
算していって、その積算値が所定値以上であるか否かに
よって行える。

上記第３図のフローチャートに示す制御によりノッキン
グ発生が検出される作用を次に説明する。

即ち、同じ周波数成分において、ノッキング振動が含ま
れるときには、異常燃焼によるノッキング振動が徐々に
減衰するから、前記ノッキング振動が含まれる周波数成
分の強度も最初は大きく徐々に減衰して機械振動のみの
レベルに戻ることになり、逆にノッキング振動が含まれ
ないときには、略一定の機械振動のレベルで強度で推移
することになる。このため、ノッキング振動が含まれな
いときには、分析区間の初期の強度を略維持することに
なり、強度の積分値は略リニアに上昇することになる。

従って、前述のように、分析区間の初期の強度を一定と
仮定して、強度の積分値の時間軸変化を推定すれば、こ
の変化特性（所定の機関変化特性）は、ノッキング非発
生時のものとなり、ノッキングが発生しているときに、
実際の強度を時間軸上で積分していくと、前記ノッキン
グ非発生時に対応するものとして推定した変化特性に合
致しない変化特性を示すことになる。このため、実際の
強度の時間軸上での積分値を求めて前記ノッキング非発
生時のものと比較することでノッキングが検出できるも
のである。

このように、特定周波数成分の強度変化に基づいてノッ
キングを検出できるから、信号レベルが小さいときであ
っても識別が可能であり、また、機械振動が強くなる高
回転域であっても、容易にノッキング振動と機械振動と
を区別してノッキング検出を行えるものである。

尚、ノッキング発生によって機械振動レベルよりも強度
が弱くなって、ノッキング振動の減衰に伴って機械振動
レベルにまで復帰する周波数も存在することがあるの
で、強度が減衰しているときに限らず、強度レベルが増
減変化していることをノッキング振動に影響されたもの
とすることが好ましい。

但し、各共振器６ａ，６ｂ，・・・から出力される複数
周波数成分毎の時間的な推移に基づくノッキング判別
は、上記の第３図のフローチャートに示すロジックに限
るものではない。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によると、振動センサから
複数種の周波数成分を取り出すときに、各周波数成分毎
の強度変化をリアルタイムに得ることができ、然も、前
記強度変化の時間的推移を観察するときにメモリ容量が
少量で済むといういう効果があり、特に、検出信号に含
まれる複数種の周波数成分の強度変化に基づいてノッキ
ング検出するときに最適な前処理装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例を示すシステム概略図、第３図は同上実施
例におけるノッキング検出の内容を示すフローチャー
ト、第４図は同上実施例における各共振器の出力例を示
す線図、第５図及び第６図はそれぞれ従来のノッキング
検出装置の一例を示すブロック図、第７図は第６図示の
構成において求められる周波数スペクトルの一例を示す
線図である。 １……ノックセンサ（振動センサ）、３……くし形フィ
ルタ、４ａ，４ｂ，………遅延素子、５……加算器、６
ａ，６ｂ，６ｃ，………共振器、７……マイクロコンピ
ュータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関本体に付設されて機関振動を検出する
   振動センサと、 該振動センサからの検出信号をアナログ／デジタル変換
   するアナログ／デジタル変換器と、 該アナログ／デジタル変換器でアナログ／デジタル変換
   された検出信号を入力する複数段の遅延素子と、該複数
   段の遅延素子で遅延されたデータと前記アナログ／デジ
   タル変換器の出力データとを加算する加算器とを含んで
   構成されたくし形フィルタと、 該くし形フィルタの出力をそれぞれ入力し相互に異なる
   周波数成分と共振する複数の共振器と、 該複数の共振器からそれぞれ得られる相互に異なる特定
   周波数成分に基づいてノッキング発生を判別するノッキ
   ング判別手段と、 を含んで構成された内燃機関のノッキング検出装置。