JPH0635943B2 - 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によって所定区間に得られた各周波数
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図に示すようなバンドパスフィル
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
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、演算に比較的長
い時間を要するために、抽出した特定周波数成分の強度
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、強度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。

このため、ノックセンサの検出信号をＡ／Ｄ変換し、か
かるデジタルデータを遅延素子と加算器とを含んで構成
されるくし形フィルタと、共振器との組み合わせからな
るデジタルフィルタに入力させることによって、ノック
センサの検出信号から複数の周波数成分を抽出する方式
の採用を勘案した。

しかしながら、前記のようなデジタルフィルタを用い、
所定の周波数分析区間（例えばＡＴＤＣ10゜〜60゜）に
おいてノックセンサの検出信号から抽出した特定周波数
成分を分析してノッキングを検出させようとするとき
に、前記周波数分析区間に入ってから、くし形フィルタ
の各遅延素子に周波数分析区間内での検出信号のデータ
が満たされるまでの間、周波数分析区間内における周波
数分析を正確に行えないという問題があった。

即ち、例えば周波数分析区間に入ってからくし形フィル
ターにデータを取り込ませるようにした場合、周波数分
析区間に入ってくし形フィルタに対するデータの取り込
みを開始させるときには遅延素子は空の状態であり、初
段の遅延素子に取り込まれた最初の入力データが順送り
されて出力されるようになるまでの間は、所望の周波数
分析が行えなかったものである。また、常時くし形フィ
ルタにデータを入力させるようにした場合でも、周波数
分析区間の初期には、該分析区間の前にくし形フィルタ
に取り込まれたデータが遅延素子から全て吐き出される
までの間は、精度の良い周波数分析が行えなかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、くし形
フィルタと共振器とかなるデジタルフィルタを用いてノ
ックセンサの検出信号から特定周波数成分を抽出してノ
ッキング検出を行うときに、所定の周波数分析区間にお
いて精度良く周波数の分析が行えるようにして、所定分
析区間の初期から精度の良いノッキング検出が行えるよ
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
なる周波数成分に共振する複数の共振器にそれぞれ入力
され、ノッキング判別手段は、所定周波数分析区間にお
いて前記複数の共振器を介して得られる複数の特定周波
数成分のデジタルデータを演算処理してノッキング発生
を判別する。

一方、模擬データ取込み手段は、所定周波数分析区間の
直前の所定区間において前記くし形フィルタに模擬デー
タを強制的に取り込ませる。

ここで、前記模擬データ取込み手段でくし形フィルタに
取り込ませる模擬データを、ノッキング非発生時におけ
る前記振動センサの検出信号に略相当する各気筒別のデ
ータとすることが好ましい。

〈作用〉 かかる構成によると、くし形フィルタと複数の共振器と
の構成によって振動センサの検出信号から複数の特定周
波数成分が抽出され、ノッキング判別手段は、所定周波
数分析区間において前述のように抽出される複数の特定
周波数成分のデジタルデータを演算処理してノッキング
を判別するが、前記所定周波数分析区間の直前の所定区
間において前記くし形フィルタには模擬データが取り込
まれる。これにより、所定周波数分析区間になったとき
に、遅延素子にデータが空があったり、また、分析区間
の前の不要なデータが取り込まれていたりすることを回
避し、所定周波数分析区間の初回からくし形フィルタの
遅延素子から前記模擬データを出力させることが可能と
なり、これにより、周波数分析区間初期における周波数
分析の立ち上がり性能を改善できるものである。

〈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
検出（電圧）信号を出力する。

前記ノックセンサ１の検出信号（アナログ信号）は、Ａ
／Ｄ変換器２でＡ／Ｄ変換されてくし形フィルタ３に入
力される。

前記くし形フィルタ３は、抽出周波数の数に対応する複
数段の単位遅延素子からなる遅延回路４と、この遅延回
路４を迂回したデータから遅延回路４の出力データを減
算する加算器５とから構成されており、このくし形フィ
ルタ３には、ノックセンサ１の検出信号から抽出したい
周波数の数に対応する数の共振器６ａ〜６ｅが並列接続
された回路が縦接接続されている。

前記共振器６ａ〜６ｅは、相互に異なる特定周波数成分
に共振するようにしてあり、本実施例では、かかる共振
周波数をノッキング振動が顕著に表れるとされている周
波数域７ｋＨｚ〜９ｋＨｚに従い７ｋＨｚ，８ｋＨｚ，
９ｋＨｚ，10ｋＨｚ，11ｋＨｚとしてある。但し、抽出
する周波数成分の数及び各々の周波数を上記に限定する
ものではない。

前記くし形フィルタ３において、遅延回路４をバイパス
させたデータから遅延回路４で遅延されたデータを減算
することによって、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。

これにより、加算器５で消し合わされる信号に基づいて
各共振器６ａ〜６ｅが共振し続けることを抑止でき、各
周波数成分の強度が逐次得られるものである。

前記各共振器６ａ〜６ｅの出力、即ち、各周波数分毎の
強度信号は、マイクロコンピュータ７に入力されるよう
になっており、マイクロコンピュータ７は、クランク角
センサ８からの検出信号に基づいて検出される所定の周
波数分析区間（本実施例ではＡＴＤＣ10゜〜60゜）にお
いて前記各共振器６ａ〜６ｅを介して入力されるノック
センサ１の特定周波数成分を分析することにより、図示
しない内燃機関におけるノッキング発生を検出し、該検
出結果に基づいて点火装置９における点火時期を制御す
ることによって、ノッキングを速やかに回避しつつ、点
火時期を進角制御するようになっている。

上記のように、マイクロコンピュータ７は、周波数分析
区間に各共振器６ａ〜６ｅを介して入力される周波数成
分に基づいてノッキング検出を行うが、本発明にかかる
構成として、前記分析区間の直前の模擬データ取込み区
間において、前記くし形フィルタ３にノックセンサ１の
検出信号のＡ／Ｄ変換値ではなく模擬データを強制的に
取り込ませる制御を行うため（第４図参照）、くし形フ
ィルタ３の入力がＡ／Ｄ変換器２からのものとマイクロ
コンピュータ７からのものに切り換えられるようになっ
ている。

即ち、本来は週数分析区間で取り込んだデータを遅延回
路４から出力させて加算器５で加算処理させることが分
析区間における周波数分析の上から望まれるが、本実施
例でＡＴＤＣ10゜〜60゜である所定周波数分析区間の初
期においては、前記遅延回路４は分析区間の直前に取り
込んでいるデータを出力することになってしまうので、
所定周波数分析区間に入る前の模擬データ取込み区間に
おいて所定の模擬データをくし形フィルタ３に取り込ま
せておいて、ＡＴＤＣ10゜〜60゜間で取り込まれたデー
タが遅延回路４から出力されるまでの間は、前記模擬デ
ータが遅延回路４から出力されるようにするものであ
る。

従って、前記模擬データを周波数分析区間で得られると
予測される基本データ（非ノッキング時の周波数強度デ
ータ）に設定すれば、周波数分析区間に入った初期から
略所望の周波数分析を行わせることができ、実際に分析
区間で入力したデータが遅延回路４から出力されるまで
の間に周波数分析の精度が悪化することを防止でき、以
て、周波数分析区間の検出データに基づくノッキング検
出精度を向上させることができる。

尚、前記模擬データを取り込ませる模擬データ取込み区
間は、遅延回路４における遅延特性に応じて決定し、少
なくとも、分析区間に入った初回においては、各遅延素
子にそれぞれ模擬データが取り込まれているようにすれ
ば良く、前記模擬データ取込み区間は、クランク角又は
時間で決定される。

ここで、マイクロコンピュータ７が行うノッキング発生
検出の内容を、第３図のフローチャートに従って次に説
明する。

尚、本実施例において、ノッキング判別手段，模擬デー
タ取込み手段としての機能は、前記第３図のフローチャ
ートに示すように前記マイクロコンピュータ７がソフト
ウェア的に備えている。

第３図のフローチャートに示すプログラムは、予め設定
されている模擬データ取込み開始時期に割り込み実行さ
れるようになっている。

本実施例では、第４図に示すように、ノッキング判別の
ための周波数成分をサンプリングする周波数分析区間
（ＡＴＤＣ10゜〜60゜）の直前の所定区間を模擬データ
取込み区間として、前記くし形フィルタ３に模擬データ
を取り込ませるようになっており、クランク角センサ８
の出力によってかかる模擬データ取込み区間の開始時期
が検出されると、第３図のフローチャートに示すプログ
ラムが実行される。

まず、模擬データ取込み区間であるか否かの判別を行い
（Ｓ１）、模擬データ取込み区間であるときには、マイ
クロコンピュータ７側から後述するノッキング判別のた
めに演算されている気筒別のバックグラウンドレベルＢ
ＧＬに基づいた模擬データを出力させて、くし形フィル
タ３にかかる模擬データを強制的に取り込ませるように
する（Ｓ２）。

前記バックグラウンドレベルＢＧＬとは、後述するよう
に、各共振器６ａ〜６ｅを介して入力される各周波数成
分強度の周波数分析区間内における積分値をノッキング
非発生時に各周波数毎にそれぞれ加重平均したものであ
り、ノックセンサ１に対する各気筒の距離のバラツキに
よって各気筒別に得られる強度レベルが異なるので、各
気筒別に設定するようにしている。

上記模擬データ取込み区間においては、例えば上記バッ
クグラウンドレベルＢＧＬから、周波数分析区間におけ
る各周波数成分の強度の平均値を各気筒別に求めておい
て、この各気筒別の強度平均値の中から今回の燃焼気筒
に対応するものを選択してノッキング非発生状態に対応
する周波数強度の模擬データとし、Ａ／Ｄ変換器２から
のデータの代わりにくし形フィルタに入力させるもので
ある。

このようにして模擬データ取込み区間中に、模擬データ
をくし形フィルタに入力させ、次に周波数分析区間（Ａ
ＴＤＣ10℃〜60゜）に入ると（Ｓ３）、今度は、ノック
センサ１の検出信号をＡ／Ｄ変換器２でＡ／Ｄ変換した
データをくし形フィルタ３に入力させるようにする（Ｓ
４）。

そして、かかる周波数分析区間においてマイクロコンピ
ュータ７は各共振器６ａ〜６ｅから所定周期毎に出力さ
れる各周波数成分の強度を入力して逐次記憶する（Ｓ
５）。かかる周波数分析区間の初期においては、遅延回
路４から縁切模擬データが出力されて、周波数分析区間
の初期から周波数分析の精度が略確保される。

周波数分析区間中に、各共振器６ａ〜６ｅからの所定毎
に出力されたデータを入力してそれぞれに記憶し、周波
数分析区間が経過すると、分析区間中に入力記憶したデ
ータに基づいてノッキング判別を行う（Ｓ６）。

即ち、周波数分析区間内で求められた強度の各周波数成
分毎の積分値を求め、各周波数成分毎の強度積分値と、
今回の燃焼気筒に対応して各周波数成分毎に演算されて
いるバックグラウンドレベルＢＧＬとを比較する。前記
バックグラウンドレベルＢＧＬは、周波数分析区間毎に
求められる各周波数成分の強度積分値の加重平均値であ
り、ノッキング判別された強度積分値が加重平均されな
いようにしてある。

従って、前記バックグラウンドレベルＢＧＬは、ノッキ
ングの非発生状態における機械振動のみを示す強度積分
値のレベルであると見做すことができ、このバックグラ
ウンドレベルＢＧＬを今回の周波数分析区間で求めた強
度積分値が越えた場合には、ノッキング発生によるもの
と判別される。尚、前述のようにノックセンサ１と各気
筒との距離のばらつきによる検出強度レベルの違いに対
応すべく、各気筒別かつ各周波数別にバックグラウンド
レベルＢＧＬが設定されるようにしてある。

上記のようにしてノッキング判別を行うと、次にバック
グラウンドレベルＢＧＬの更新演算を行う（Ｓ７）。今
回ノッキング非発生と判別されたときには、各周波数成
分毎にバックグラウンドレベルＢＧＬと今回の積分値と
を加重平均し、かかる加重平均結果を新たなバックグラ
ウンドレベルＢＧＬとして更新するが、ノッキング発生
が判別されたときには、今回ノッキング判別に用いた各
周波数成分毎のバックグラウンドレベルＢＧＬを更新せ
ずに次回に持ち越す。

尚、本実施例では、周波数分析区間において所定時間毎
に入力される周波数成分強度を、各周波数毎に積分し、
この強度積分値をバックグラウンドレベルＢＧＬと比較
することによってノッキングを判別するようにしたが、
ノッキングの判別は上記実施例に限りものではなく、例
えば、周波数分析区間における周波数強度の変化特性に
基づいてノッキングを検出するものであっても良い。

また、ノッキング非発生時の周波数分析区間内における
周波数強度の平均レベルを求めておいて、次回の同じ気
筒の燃焼工程に対応する周波数分析区間の直前の模擬デ
ータ取込み区間で前記平均レベルを模擬データとしてく
し形フィルタ３に取り込ませるようにしても良い。

更に、運転条件別及び気筒別に模擬データを予め記憶さ
せておいて、該当する運転条件と燃焼行程気筒に対応す
る模擬データを検索し、周波数分析区間の直前の模擬デ
ータ取込み区間でくし形フィルタ３に取り込ませるよう
にしても良い。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によると、くし形フィルタ
と共振器との組み合わせにより、振動センサの検出信号
から複数の特定周波数成分を抽出するときに、周波数分
析区間の直前の所定区間において、模擬データをくし形
フィルタに取り込ませるようにしたので、前記分析区間
の初期から周波数分析の精度を確保でき、以て、ノッキ
ング検出精度を向上させることができるという効果があ
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
例におけるくし形フィルタに対する入力切り換え及びノ
ッキング検出の内容を示すフローチャート、第４図は同
上実施例におけるくし形フィルタに対する入力切り換え
の様子を示すタイムチャート、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
である。 １……ノックセンサ（振動センサ）、２……Ａ／Ｄ変換
器、３……くし形フィルタ、４……遅延回路、５……加
算器、６ａ〜６ｅ……共振器、７……マイクロコンピュ
ータ、８……クランク角センサ

Claims (2)

【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入力し相互に異なる特定周波
   数成分に共振する複数の共振器と、 所定周波数分析区間において前記複数の共振器を介して
   得られる複数の特定周波数成分のデジタルデータを演算
   処理してノッキング発生を判別するノッキング判別手段
   と、 前記所定周波数分析区間の直前の所定区間において前記
   くし形フィルタに模擬データを強制的に取り込ませる模
   擬データ取込み手段と、 を含んで構成された内燃機関のノッキング検出装置。
2. 【請求項２】前記模擬データ取込み手段でくし形フィル
   タに取り込ませる模擬データが、ノッキング非発生時に
   おける前記振動センサの検出信号に略相当する各気筒別
   のデータであることを特徴とする請求項１記載の内燃機
   関のノッキング検出装置。