JPH11351053A

JPH11351053A - 内燃機関のノック検出装置

Info

Publication number: JPH11351053A
Application number: JP15943498A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nakada; 浩一中田; Kazuhisa Mogi; 和久茂木; Eiji Takakuwa; 栄司高桑
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】点火プラグをイオン電流検出用プローブとし
て利用するイオン電流検出回路の出力に基づきノックを
検出する装置において、点火プラグで発生するノイズに
起因して誤判定がなされるのを防止する。【解決手段】点火プラグで発生するノイズは、スパイ
ク状の形を有しているため、ノイズ発生時、ノックに関
連する周波数成分を抽出するフィルタの出力は、一度大
きくなるが、その後急速に減衰する。すなわち、ピーク
値自体は大きいものの、共振は起こっていないため、振
動回数は少ない。そこで、フィルタ出力における振動の
回数に基づいてノック判定を行うことにより、ノック信
号とプラグノイズとの混同を防止する。また、ノック発
生時とプラグノイズ発生時とでは、フィルタ出力の振幅
の減衰の状態が異なる。そこで、フィルタ出力の振幅の
減衰の速度又は減衰の期間によりノックかプラグノイズ
かを判別してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のノック
検出装置に関し、より詳細には、シリンダ内での燃焼に
より発生するイオンの量に応じて流れるイオン電流に基
づいてノックを検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリン機関では、点火プラグから与え
られる火花で点火プラグ付近の混合気が着火せしめら
れ、その火炎が混合気全体に伝わることによって、ガソ
リンの燃焼が起こる。その場合の異常燃焼の一つにノッ
クがある。ノックは、火炎伝播の途中で圧力が異常に高
くなった場合に火炎の伝播を待たずに未燃焼部分が自己
着火する現象である。ノックが発生すると、燃焼ガスが
振動することにより熱が伝搬しやすくなり、その結果、
機関が破損するおそれがある。ノックは、点火時期と密
接な関係があり、点火時期を早めると燃焼最大圧力が高
まり、ノックが発生しやすくなる。

【０００３】一方、熱効率を高め、燃料消費率を低減す
るためには、高い圧縮比を達成することが好ましい。そ
こで、ノックの発生を検出しつつノックが発生する限界
近傍まで点火時期を早める制御が点火時期制御の一部と
して行われている。かかるノック検出方法としては、従
来、シリンダブロック等に振動センサを取り付け、ノッ
ク振動を検出するものが一般的であったが、近年におい
ては、ノック発生時におけるシリンダ内イオン電流変化
を利用するものが提案されている。

【０００４】すなわち、点火プラグによる放電が起き、
燃焼室内の混合気が燃焼すると、その混合気はイオン化
する。混合気がイオン化した状態にあるときに、シリン
ダ内に設置された一対の電極に電圧を印加すると、イオ
ン電流が流れる。このイオン電流を検出し、解析処理を
行うことによって、ノックの発生を検出することができ
るのである。通常、ノックが発生すると、６〜７ｋＨｚ
の振動成分がイオン電流に現れる。イオン電流に基づく
ノック検出装置は、そのノック特有の周波数成分をフィ
ルタで抽出し、その大きさに基づいてノック判定を行
う。

【０００５】例えば、特開昭６１−５７８３０号公報
は、イオン電流信号からノックに関連する周波数成分を
抽出することによりノックを検出する装置を開示してい
る。その装置においては、点火コイルの一次電流の遮断
時に生ずる二次電流によりイオン電流生成用電源となる
コンデンサを一定電圧に充電し、火花放電後、このコン
デンサと点火コイル二次巻線と点火プラグと電流検出抵
抗器とからなる閉回路に流れるイオン電流を測定するよ
うに構成されている。すなわち、この装置では、点火プ
ラグがイオン電流検出用プローブとしても利用されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、点火プ
ラグをイオン電流検出用プローブとしてイオン電流を検
出し、ノック判定を行う場合、点火プラグで発生するノ
イズが問題となる。このノイズはスパイク状の形を有し
ているため、ノックに関連する周波数成分の抽出用とし
てイオン電流検出回路の後段に設けられるバンドパスフ
ィルタを通過する成分が現れる。そして、フィルタ出力
のピーク値に基づいてノック判定を行うときには、上述
の如くフィルタ出力に現れるノイズも判定基準値を超え
てしまうため、実際にはノックが発生していないにもか
かわらず、ノックありとの誤判定がなされてしまう。

【０００７】かかる問題点に鑑み、本発明の目的は、点
火プラグをイオン電流検出用プローブとして利用するイ
オン電流検出回路の出力に基づきノックを検出する装置
であって、点火プラグで発生するノイズに起因して誤判
定がなされるのを防止することができるものを提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様によれば、内燃機関の燃焼室内
に設置される点火プラグの電極間に電圧を印加し、該電
圧と燃焼室内の混合気の燃焼時に生ずるイオンとによっ
て該電極間に流れるイオン電流を検出するイオン電流検
出回路と、前記イオン電流検出回路の出力にノックに関
連する周波数成分が重畳しうる期間以外の期間、前記イ
オン電流検出回路の出力をマスクするマスク回路と、前
記マスク回路の出力からノックに関連する周波数成分を
抽出するフィルタと、前記フィルタの出力に現れる振動
の回数に基づいてノックの有無を判定するノック判定手
段と、を具備する、内燃機関のノック検出装置が提供さ
れる。

【０００９】また、本発明の第２の態様によれば、内燃
機関の燃焼室内に設置される点火プラグの電極間に電圧
を印加し、該電圧と燃焼室内の混合気の燃焼時に生ずる
イオンとによって該電極間に流れるイオン電流を検出す
るイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路の出
力にノックに関連する周波数成分が重畳しうる期間以外
の期間、前記イオン電流検出回路の出力をマスクするマ
スク回路と、前記マスク回路の出力からノックに関連す
る周波数成分を抽出するフィルタと、前記フィルタの出
力に現れる振動の減衰の状態に基づいてノックの有無を
判定するノック判定手段と、を具備する、内燃機関のノ
ック検出装置が提供される。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。

【００１１】図１は、点火装置及び本発明に係るノック
検出装置の回路構成を示す図である。点火コイル１０の
一次巻線１０ａの一端は、バッテリ１２の正電極に接続
され、他の一端は、スイッチング手段としてのトランジ
スタ１４のコレクタに接続されている。そのトランジス
タ１４のエミッタは接地され、そのベースには点火信号
が印加されるように構成されている。点火コイル１０の
二次巻線１０ｂの一端は、点火ディストリビュータ１６
を介して各気筒ごとに設けられた点火プラグ１８の中心
電極１８ａに接続される。点火プラグ１８の外側電極１
８ｂは、接地されている。

【００１２】点火コイル１０の二次巻線１０ｂの他の一
端側には、イオン電流検出回路２０が接続されている。
まず、イオン電流生成用電源となるコンデンサ２２が二
次巻線１０ｂに接続されている。このコンデンサ２２に
は、点火コイル二次電流によりコンデンサ２２に充電さ
れる電圧を一定値に制限するための定電圧ダイオード
（ツェナーダイオード）２４が並列に接続されている。
コンデンサ２２の他の一端は、ダイオード２６のアノー
ドと、イオン電流検出抵抗器２８の一端とに接続されて
いる。そして、ダイオード２６のカソード及びイオン電
流検出抵抗器２８の他端は、接地されている。

【００１３】そして、コンデンサ２２とイオン電流検出
抵抗器２８との接続点は、演算増幅器（オペアンプ）３
０と入力抵抗器３２と帰還抵抗器３４とから構成される
反転増幅回路に接続されている。この反転増幅回路の出
力がイオン電流検出回路出力としてイオン電流指示電圧
を与える。

【００１４】イオン電流検出回路２０の出力は、マスク
回路４０に導かれる。マスク回路４０は、イオン電流検
出回路の出力にノックに関連する周波数成分が重畳しう
る期間以外の期間、イオン電流検出回路の出力をマスク
して、信号を後段に伝達しないようにするものである。
マスク回路４０の出力は、バンドパスフィルタ（ＢＰ
Ｆ）４２に導かれる。フィルタ４２は、マスク回路４０
の出力を入力してその中からノック振動に関連する周波
数成分すなわち６〜７ｋＨｚ付近の周波数成分を抽出す
る。

【００１５】処理装置４４は、フィルタ４２の出力に基
づいてノック検出を行う。また、処理装置４４は、機関
回転速度を検出するためのクランク角センサ４６、機関
負荷としての吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ
４８、等の各種センサからの出力に基づいて運転状態を
検出し、ノックの有無とともにエンジンの状態を総合的
に判定し、最適な点火時期を決定し、点火信号を出力す
る。さらに、処理装置４４は、マスク回路４０における
マスク期間を決定し、マスク回路４０にマスク信号を供
給する。

【００１６】次に、点火装置及びノック検出装置の動作
について説明する。まず、点火信号がハイとなり、トラ
ンジスタ１４がオンすると、点火コイル一次巻線１０ａ
に電流が流れる。次いで、点火信号がロウとされてトラ
ンジスタ１４がオフにされることにより一次電流が遮断
されると、点火コイル１０の二次巻線１０ｂに高電圧が
誘起され、その結果、点火プラグ１８にて火花放電が起
こる。すなわち、点火プラグ１８の中心電極１８ａにマ
イナス極性の高電圧が印加されることにより、中心電極
１８ａと外側電極（接地電極）１８ｂとの間で火花放電
が起こり、点火コイル二次巻線１０ｂから、コンデンサ
２２、定電圧ダイオード２４、ダイオード２６、及び点
火プラグ１８を介して、二次巻線１０ｂへと一巡する電
流が流れる。この過程において、コンデンサ２２は、定
電圧ダイオード２４のツェナー電圧（１００Ｖ程度）に
一致する電圧にまで充電される。

【００１７】点火プラグ１８における火花放電により、
燃焼室内の混合気が着火し燃焼すると、その混合気はイ
オン化する。混合気がイオン化した状態にあるときに
は、点火プラグ１８の両電極間は導電性を有する。なお
かつ、コンデンサ２２の充電電圧により点火プラグ１８
の両電極間には電圧が印加されているため、イオン電流
が流れる。すなわち、このイオン電流は、コンデンサ２
２の一端から、点火コイル二次巻線１０ｂ、点火プラグ
１８、及びイオン電流検出抵抗器２８を介して、コンデ
ンサ２２の他端へと流れる。そして、イオン電流検出抵
抗器２８とコンデンサ２２との接続点には“−イオン電
流値×検出抵抗値”の電位が現れ、その電位は、演算増
幅器３０と入力抵抗器３２と帰還抵抗器３４とからなる
反転増幅回路において反転増幅される。反転増幅回路の
出力すなわちイオン電流検出回路２０の出力は、マスク
回路４０に供給される。

【００１８】図２は、イオン電流検出回路２０の出力に
基づくノック検出の方法を説明するための図である。前
述のように、点火信号がオフとされた直後に点火プラグ
１８にて放電が起こり、放電電流が流れる。そして、放
電終了後、点火コイルは残留磁気エネルギを放出しよう
とし、点火コイル二次巻線１０ｂのインダクタンスＬ ₂
と高電圧線路に形成される浮遊容量Ｃ₂（図１参照）と
の間でＬＣ共振が起こり、ＬＣ共振電流が流れる。その
ＬＣ共振電流はイオン電流検出抵抗器によって検出され
るため、放電終了後のイオン電流検出回路出力には、図
２（Ａ）に示されるように、急峻な変化が現れるが、こ
れはイオン電流によるものではない。そして、残留磁気
エネルギによるＬＣ共振電流が流れた後に、図２（Ａ）
に示されるように、イオン電流が流れる。

【００１９】マスク回路４０においては、ノックを検出
するための信号取り出し区間が、図２（Ａ）に示される
ように、残留磁気エネルギによるＬＣ共振電流を避けて
設定され、この区間のイオン電流検出回路出力のみがフ
ィルタ４２に伝達される。そして、フィルタ４２は、ノ
ックに関連する周波数成分のみを抽出する。ノックが発
生していない場合、図２（Ｂ）に示されるように、フィ
ルタ４２の出力波形には、ノック信号が現れない。

【００２０】一方、ノックが発生した場合には、図２
（Ｃ）に示されるように、イオン電流波形にノック特有
の高周波振動成分が現れる。この場合、フィルタ４２の
出力波形には、図２（Ｄ）に示されるように、その高周
波数成分が現れることとなる。ノック発生時には、イオ
ン電流に高周波が連続して重畳するので、フィルタ出力
も、共振に伴い、一旦出力が大きくなり、その後、小さ
くなる。また、共振による出力となるため、振動回数が
多くなる。

【００２１】ところで、前述のように、イオン電流検出
用プローブとして点火プラグ１８を使用する場合には、
点火プラグ１８で発生するノイズが問題となることがあ
る。このノイズは、図２（Ｅ）に示されるように、スパ
イク状の形を有している。そのため、フィルタ出力は、
図２（Ｆ）に示されるように、一度大きくなるが、その
後急速に減衰する。すなわち、ピーク値自体は大きいも
のの、共振は起こっていないため、振動回数は少ない。
しかし、フィルタ出力のピーク値に基づいてノック判定
を行うと、フィルタ出力に現れるノイズが判定基準値を
超えてしまうため、ノックありとの誤判定がなされてし
まう。このように、ピーク値によってノック信号とこの
ノイズとを判別することはできない。

【００２２】そこで、本発明の第１実施形態では、フィ
ルタ出力における振動の回数に基づいてノック判定を行
うことにより、ノック信号とノイズとの混同を防止す
る。すなわち、図２（Ｄ）のようにフィルタ出力にノッ
ク信号が現れる例では、振幅が判定基準値を超える振動
が６回発生しているのに対し、図２（Ｆ）のようにフィ
ルタ出力に点火プラグに起因するノイズが現れる例で
は、振幅が判定基準値を超える振動が２回しか発生して
いない。かかる知見に基づき、フィルタ出力における振
動の回数に基づいてノック判定を行うようにすれば、点
火プラグで発生するノイズに起因して誤判定がなされる
のを防止することができる。

【００２３】図３は、本発明の第１実施形態において処
理装置４４によって実行されるノック判定処理のフロー
チャートである。この処理は、燃焼サイクルごとに実行
される。まず、ステップ１０２では、フィルタ出力判定
基準値Ｖ_REFを算出する。このＶ_REFの算出方法の一つ
としては、各サイクルごとに検出されるフィルタ出力の
平均値をバックグラウンド値として算出しておき、バッ
クグラウンド値の所定数倍（例えば２倍）を判定基準値
Ｖ_REFとする。また、他の算出方法としては、クランク
角センサ４６の出力に基づき算出される機関回転速度Ｎ
Ｅと、吸気圧センサ４８によって機関負荷として検出さ
れる吸気管圧力ＰＭと、に応じて予め定められたマップ
を参照することにより、判定基準値Ｖ_REFを決定しても
よい。

【００２４】次いで、ステップ１０４では、フィルタ４
２の出力すなわち振幅Ｖ_BPFが判定基準値Ｖ_REF以上と
なる振動の回数ＮＵＭをカウントする。次いで、ステッ
プ１０６では、所定のマップを参照することにより、機
関回転速度ＮＥと吸気管圧力ＰＭとに応じた振動回数判
定基準値Ｎ_REFを算出する。次いで、ステップ１０８で
は、振幅がＶ_REF以上となる振動の回数ＮＵＭが判定基
準値Ｎ_REF以上か否かを判定する。ＮＵＭ≧Ｎ_REFのと
きには、ステップ１１０に進み、ノックが発生したと判
定する。一方、ＮＵＭ＜Ｎ_REFのときには、ステップ１
１２に進み、ノックが発生しなかったと判定する。な
お、機関の回転速度及び負荷によりノック振動の様子が
変化するが、上述のように、振動回数判定基準値Ｎ_REF
を回転速度及び負荷に応じて変化させることにより、ノ
ック検出精度が向上する。

【００２５】次に、本発明の第２実施形態について説明
する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、ノック発生
時のフィルタ出力とプラグノイズ発生時のフィルタ出力
とを示す波形図である。前述の第１実施形態では振動の
回数の相違に着目してノック信号とノイズとを判別した
が、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、ノック発
生時とプラグノイズ発生時とでは、振幅が最大値をとっ
た時点からの減衰の状態が異なる。すなわち、ノック発
生時の減衰の速度は小さいのに対し、プラグノイズ発生
時の減衰の速度は大きい。換言すれば、ノック発生時の
減衰の期間は長いのに対し、プラグノイズ発生時の減衰
の期間は短い。

【００２６】そこで、第２実施形態では、図４に示され
るように、フィルタ出力の振動ごとのピーク値ＶＰ(1),
ＶＰ(2),…，ＶＰ(n) のうちの最大値がｋ番目のＶＰ
(k) であるとすれば、そのＶＰ(k) とＶＰ(k+a) との比
を振幅の減衰率として求め、その減衰率によりノックか
ノイズかを判別する。ここで、ａは、整数の定数（例え
ば２）である。なお、かかる減衰率に代えて、減衰の期
間Ｔ_Dによりノックかノイズかを判別してもよい。

【００２７】図５は、本発明の第２実施形態に係るノッ
ク判定処理のフローチャートである。まず、ステップ２
０２では、フィルタ４２の出力の振動ごとのピーク値Ｖ
Ｐ(1),ＶＰ(2),…，ＶＰ(n) を取り込む。次いで、ステ
ップ２０４では、各ピーク値の中の最大値ＶＰ(k) を決
定する。次いで、ステップ２０６では、ＶＰ(k) がピー
ク値に係るノック判定基準値ＶＰ_REF以上か否かを判定
し、ＶＰ(k) ≧ＶＰ_RE _Fのときにはステップ２０８に進
む一方、ＶＰ(k) ＜ＶＰ_REFのときにはステップ２１６
に進む。ステップ２１６では、ノックが発生しなかった
と判定し、本ルーチンを終了する。

【００２８】一方、ステップ２０８では、ＶＰ(k) がＶ
Ｐ_REF以上となった原因がノックによるものかプラグノ
イズによるものかを判別するために、Ｄ←ＶＰ(k+a) ／ＶＰ(k) ここで、ａは整数（例えば２）なる演算により、振幅の
減衰率Ｄを算出する。次いで、ステップ２１０では、減
衰率Ｄが所定の判定基準値Ｄ_REF未満か否かを判定す
る。なお、この判定基準値Ｄ_REFは、回路特性による定
数である。そして、Ｄ＜Ｄ_REFのとき、すなわち減衰率
が基準値より小さいと判定されるときには、ステップ２
１２に進み、ノックが発生したと判定する。一方、Ｄ≧
Ｄ_REFのとき、すなわち減衰率が基準値以上であると判
定されるときには、ステップ２１４に進み、ノックは発
生しなかったがノイズが発生したためにフィルタ出力が
大きくなったと判定する。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
点火プラグをイオン電流検出用プローブとして使用して
イオン電流を検出し、そのイオン電流に基づきノックを
検出する装置において、点火プラグで発生するノイズに
起因して誤判定がなされるのが防止される。その結果、
ノック検出精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】点火装置及び本発明の係るノック検出装置の回
路構成を示す図である。

【図２】（Ａ）、（Ｃ）及び（Ｅ）は、イオン電流検出
回路の出力を示す波形図であり、（Ｂ）、（Ｄ）及び
（Ｆ）は、バンドパスフィルタの出力を示す波形図であ
って、（Ａ）及び（Ｂ）はノックもノイズも発生しなか
った場合、（Ｃ）及び（Ｄ）はノックが発生した場合、
（Ｅ）及び（Ｆ）はプラグノイズが発生した場合を示す
ものである。

【図３】本発明の第１実施形態に係るノック判定処理の
フローチャートである。

【図４】（Ａ）は、ノック発生時のフィルタ出力を示す
波形図であり、（Ｂ）は、プラグノイズ発生時のフィル
タ出力を示す波形図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係るノック判定処理の
フローチャートである。

【符号の説明】

１０…点火コイル１０ａ…一次巻線１０ｂ…二次巻線１２…バッテリ１４…トランジスタ１６…点火ディストリビュータ１８…点火プラグ１８ａ…中心電極１８ｂ…外側電極２０…イオン電流検出回路２２…コンデンサ２４…定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）２６…ダイオード２８…イオン電流検出抵抗器３０…演算増幅器（オペアンプ）３２…入力抵抗器３４…帰還抵抗器４０…マスク回路４２…バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４４…処理装置４６…クランク角センサ４８…吸気圧センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高桑栄司愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼室内に設置される点火プ
ラグの電極間に電圧を印加し、該電圧と燃焼室内の混合
気の燃焼時に生ずるイオンとによって該電極間に流れる
イオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路の出力にノックに関連する周波
数成分が重畳しうる期間以外の期間、前記イオン電流検
出回路の出力をマスクするマスク回路と、前記マスク回路の出力からノックに関連する周波数成分
を抽出するフィルタと、前記フィルタの出力に現れる振動の回数に基づいてノッ
クの有無を判定するノック判定手段と、を具備する、内燃機関のノック検出装置。
【請求項２】前記ノック判定手段は、前記振動回数が
判定基準値以上であるときにノックが発生したと判定す
る、請求項１に記載の内燃機関のノック検出装置。
【請求項３】前記判定基準値が機関運転状態に応じて
変更される、請求項２に記載の内燃機関のノック検出装
置。
【請求項４】内燃機関の燃焼室内に設置される点火プ
ラグの電極間に電圧を印加し、該電圧と燃焼室内の混合
気の燃焼時に生ずるイオンとによって該電極間に流れる
イオン電流を検出するイオン電流検出回路と、前記イオン電流検出回路の出力にノックに関連する周波
数成分が重畳しうる期間以外の期間、前記イオン電流検
出回路の出力をマスクするマスク回路と、前記マスク回路の出力からノックに関連する周波数成分
を抽出するフィルタと、前記フィルタの出力に現れる振動の減衰の状態に基づい
てノックの有無を判定するノック判定手段と、を具備する、内燃機関のノック検出装置。
【請求項５】前記ノック判定手段は、前記振動の減衰
の速度が判定基準値以下であるときにノックが発生した
と判定する、請求項４に記載の内燃機関のノック検出装
置。
【請求項６】前記ノック判定手段は、前記振動の減衰
の期間が判定基準値以上であるときにノックが発生した
と判定する、請求項４に記載の内燃機関のノック検出装
置。