WO2018105703A1 - 内燃機関の異常燃焼検出装置及びその検出方法 - Google Patents

内燃機関の異常燃焼検出装置及びその検出方法 Download PDF

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knocking
internal combustion
abnormal combustion
combustion engine
different
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Inventor
典宏 新屋
芳国 倉島
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D45/00—Electrical control not provided for in groups F02D41/00 - F02D43/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Definitions

  • the present invention relates to an abnormal combustion detection device that detects abnormal combustion of an internal combustion engine and a detection method thereof.
  • the abnormal combustion phenomenon of the engine includes, for example, knocking that occurs after ignition and preignition that occurs before ignition.
  • Various detection and countermeasures for knocking have been conventionally performed.
  • the problem of pre-ignition in a low rotation and high load region has become apparent due to the high compression ratio and high supercharging accompanying the downsizing of a supercharged direct injection engine in recent years.
  • Pre-ignition that occurs in a low rotation and high load region is also called a super knock, which is accompanied by a rapid pressure rise and may lead to engine damage. For this reason, the necessity for not only knocking detection but also pre-ignition detection is increasing.
  • Patent Document 1 describes a technique for detecting knocking and pre-ignition. That is, the output signals of one or two vibration detection sensors are supplied to two band-pass filters having independent frequencies, and these are converted into digital signals using A / D converters having different gains (gains). Then, knocking and pre-ignition are detected by comparing each vibration component peculiar to knocking and pre-ignition in these digital signals with a threshold value.
  • both knocking and pre-ignition can be detected using the output signal of the vibration detection sensor.
  • the signal level of the vibration detection sensor is low when the engine is low and the signal level is high when the engine is high, it is difficult to ensure a sufficient dynamic range, and knocking detection accuracy may be reduced.
  • the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to detect an abnormal combustion of an internal combustion engine capable of detecting abnormal combustion different from knocking while ensuring the detection accuracy of knocking, and the detection thereof. It is to provide a method.
  • the abnormal combustion detection apparatus for an internal combustion engine has a converter configured to convert an output signal of a vibration sensor installed in the internal combustion engine into a plurality of signals having different gains, and an increase in engine speed. Accordingly, a signal having a low gain is selected, and the first processing unit configured to detect occurrence of knocking in the internal combustion engine, and a non-selected signal among the plurality of signals having different gains or the low gain And a second processing unit configured to determine abnormal combustion different from knocking using the signal. Further, according to the abnormal combustion detection method for an internal combustion engine of the present invention, the output signal of the vibration sensor installed in the internal combustion engine is converted into a plurality of signals having different gains, and the gain decreases as the engine speed increases. Selecting a signal to detect occurrence of knocking in the internal combustion engine, and determining abnormal combustion different from knocking using a non-selected signal among the plurality of signals having different gains or a signal having a low gain It is characterized by providing.
  • a non-selected signal that is not used for knock detection when the engine speed is high, or the gain Abnormal combustion different from knocking is determined using a low signal.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an abnormal combustion detection device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram illustrating a performance curve of a supercharged direct injection engine for explaining pre-ignition.
  • FIG. 6 is a waveform diagram for illustrating pre-ignition and showing a pressure curve in a cylinder when a super knock occurs. It is a wave form diagram which shows the in-cylinder pressure of the engine in the vicinity of the pre-ignition detection area and the knocking detection area of the abnormal combustion detection apparatus shown in FIG. It is a schematic diagram which shows the relationship between the pre-ignition detection area and the knocking detection area in the abnormal combustion detection apparatus shown in FIG.
  • FIG. 5 It is a wave form diagram which shows the output signal of the vibration sensor in the vicinity of the pre-ignition detection area and the knocking detection area in the abnormal combustion detection apparatus shown in FIG. It is a flowchart which shows operation
  • movement of the abnormal combustion detection apparatus shown in FIG. 6 is a flowchart illustrating an operation following FIG. 5.
  • FIG. 1 shows extracted main parts related to the detection of knocking and the detection of preignition in the abnormal combustion detection apparatus for an internal combustion engine according to the embodiment of the present invention.
  • 2 and 3 are for explaining pre-ignition that occurs in a low rotation and high load region.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing an engine performance curve of a supercharged direct injection engine.
  • FIG. It is a wave form diagram which shows a cylinder internal pressure curve.
  • 4A to 4C show in-cylinder pressure, ignition timing, and vibration sensor output signals in the vicinity of the pre-ignition detection section and the knocking detection section in the abnormal combustion detection apparatus of FIG.
  • the output (power) increases as indicated by the broken line 20 as the engine speed increases.
  • the torque is generated at a relatively low rotation, and the maximum torque is maintained near high rotation. Pre-ignition is likely to occur in the low-rotation region 40 surrounded by a diagonal line.
  • Preignition that occurs in a low rotation and high load region, such as sudden acceleration from a vehicle stopped state or full open acceleration, is accompanied by a sudden pressure increase and pressure fluctuation as shown by a solid line 50 in FIG.
  • a solid line 50 in FIG. 3
  • an alternate long and short dash line 60 indicates a change in pressure in the cylinder when the engine is idling
  • a broken line 70 indicates a change in pressure during normal combustion
  • a broken line 80 indicates a change in pressure during knocking (spark knock).
  • the in-cylinder pressure of the engine rises as the piston rises, and is ignited at a timing Tig immediately before top dead center.
  • the in-cylinder pressure greatly increases due to ignition, and then gradually decreases.
  • the pre-ignition detection section and the knocking detection section partially overlap.
  • knocking and pre-ignition are selected by selecting the output signals of the two A / D converters. Both of them can be detected.
  • the output signal of the vibration sensor is generated before ignition in the case of pre-ignition, and is generated after ignition in the case of knocking. Therefore, both abnormal combustion can be detected with the output signal of one vibration sensor by determining whether it is a pre-ignition detection zone or a knocking detection zone.
  • an output signal NS of a vibration sensor (knock sensor) 1 installed in the engine 100 is input to an ECU (Electronic Control Unit) 200.
  • the ECU 200 detects preignition and knocking based on the pressure vibration of the combustion chamber detected by the vibration sensor 1. And based on this detection result, the engine 100 is controlled and abnormal combustion is suppressed.
  • the engine 100 is further provided with, for example, a crank angle sensor 2 and a water temperature sensor 3.
  • the output signal NE of the crank angle sensor 2 and the output signal TS of the water temperature sensor 3 are input to the ECU 200, respectively.
  • the crank angle sensor 2 is used for detecting the engine speed.
  • the water temperature sensor 3 is used for detecting a super knock due to oil that may occur at a low water temperature.
  • the output signal NS of the vibration sensor 1 input to the ECU 200 is amplified by the amplifier 4 and input to a signal input unit (low gain) 6a for high rotation of a CPU (Central Processing Unit) 6 and the vibration sensor 1 Output signal NS is amplified by the amplifiers 4 and 5 and input to the low-rotation signal input section (high gain) 6 b of the CPU 6.
  • the input terminals of the A / D converters 7 and 8 are connected to the signal input units 6a and 6b, respectively, and the output signal (analog signal) NS of the vibration sensor 1 amplified with different gains is A / D converted. Each of the devices 7 and 8 converts the signal into a digital signal.
  • the output of the A / D converter 7 is supplied to the knocking detection processing unit 9a when the engine speed is high, and is supplied to the pre-ignition detection processing unit 9c when the engine speed is low.
  • the knocking detection processing unit 9a, the pre-ignition detection processing unit 9c, and the input switching are realized by software, but each processing unit is formed by a dedicated IC chip or module and switched by a switch element such as a transistor. If configured, it can also be realized by hardware.
  • the CPU 6 selects a high gain signal input from the signal input unit 6b when the engine speed is low, and is input from the signal input unit 6a when the engine speed is high. Select a low gain signal. Therefore, a digital signal output from the A / D converter 8 is input to the knocking detection processing unit 9b when the engine is running at a low speed, and a digital signal output from the A / D converter 7 is processed when the engine is running at a high speed. Is input to the unit 9a, and the arithmetic unit 9 performs a knocking detection process.
  • the knocking detection processing unit 9b is also realized by software, but can also be configured by hardware.
  • This configuration is due to the characteristic that knocking has a low signal level when the engine 100 is running at a low speed and a high signal level when the engine 100 is running at a high speed.
  • Two A / D converters 7 and 8 are assigned to one vibration sensor 1 for low rotation (high gain) and high rotation (low gain), and these A / D converters 7 and 8
  • the output digital signal is input to the arithmetic unit 9 to perform knocking detection processing according to the engine speed.
  • the pre-ignition generation region leading to engine breakage is limited to the low rotation region as described above, and the signal strength is larger in the pre-ignition than in the knocking. Therefore, when the engine 100 is rotating at low speed, the A / D converter 7 for high rotation (low gain) is used for detecting the pre-ignition, and the pre-ignition detection process is executed. At this time, the A / D converter 8 is used for knocking detection and executes knocking detection processing. As described above, one vibration sensor 1 can detect knocking using an output signal having a different gain, and can also detect preignition that is abnormal combustion different from knocking.
  • the output signal NE of the crank angle sensor 2 is input to the signal input unit 6c of the CPU 6, and the output signal TS of the water temperature sensor 3 is input to the signal input unit 6d, and these signals are also converted into digital signals. .
  • the engine speed is detected from the output signal NE of the crank angle sensor 2, and is used for switching the input of the output of the A / D converter 7 to the knocking detection processing unit 9a and the pre-ignition detection processing unit 9c.
  • the output signal TS of the water temperature sensor 3 is used for determining the state of the engine 100 and the surrounding environment.
  • the ECU 200 includes a storage device 11 and is used for various programs and initial values of data for controlling the engine 100 by the control device 12, and determination for switching between the knocking detection processing unit 9a and the pre-ignition detection processing unit 9c. Predetermined values such as engine speed, load, and water temperature are stored, and learning values are stored.
  • the engine 100 is controlled by the control device 12 so as to suppress the abnormal combustion. For example, when it is detected that knocking has occurred, the ignition timing is retarded. When it is detected that pre-ignition has occurred, ETB (Electronic throttle) body is closed and fuel cut is performed.
  • ETB Electronic throttle
  • the engine speed is detected by a sensor (crank angle sensor 2 in this example) installed in the engine 100 (step S1), and the engine speed is compared with a predetermined value stored in advance in the storage device 11 (step S2). ). If the engine speed is less than or equal to the predetermined value, the load is compared with the predetermined value (step S3). If the load is greater than or equal to the predetermined value, the water temperature is further compared with the predetermined value (step S4). When the water temperature is lower than or equal to the predetermined value, it is determined whether or not the pre-ignition detection section (step S5).
  • step S6 If it is determined in step S5 that it is the pre-ignition detection section, the pre-ignition detection processing unit 9c is selected (step S6), and the output signal of the vibration sensor 1 is converted to A / D by the A / D converter 7 for high rotation. D conversion is performed (step S7). This A / D conversion result is input to the arithmetic unit 9, and pre-ignition detection processing is performed (step S8).
  • the pre-ignition detection process is performed by comparing the frequency of the output signal NS of the vibration sensor 1 with a frequency unique to abnormal combustion of the vibration sensor 1 stored in the storage device 11 when the voltage level of the output signal NS exceeds a predetermined value. Analyze. Since the preignition has a higher voltage level than knocking, the preignition can be detected only by the voltage level of the output signal NS. Further, the pre-ignition can be detected only by frequency analysis, and particularly in a region where the compression process and the expansion stroke of the engine 100 overlap, it is preferable to make a determination based on the frequency of the output signal of the vibration sensor 1. It is determined whether or not pre-ignition has been detected (step S9). When it is detected that pre-ignition has occurred, ETB is closed, fuel cut, etc. is performed to suppress pre-ignition (step). S10).
  • step S11 if it is determined in step S2 that the engine speed is greater than the predetermined value, it is determined whether or not it is a knocking detection section (step S11). If it is determined that it is a knocking detection section, knocking detection processing is selected (step S12), and the output signal of the vibration sensor 1 is A / D converted by the A / D converter 7 for high rotation (step S13). ). Then, using the digital signal output from the A / D converter 7, a knocking detection process is performed in the arithmetic unit 9 (step S14).
  • the knocking detection process when the voltage level of the output signal NS of the vibration sensor 1 exceeds a predetermined value, the knocking detection process is compared with the frequency specific to abnormal combustion of the vibration sensor 1 stored in the storage device 11. Is to do. Further, knocking can be detected not only by the combination of the voltage level and the frequency analysis but only by the voltage level or by the frequency analysis alone. In this case, since it may be easily affected by noise or the like, for example, background noise specific to the engine is stored as a learning value in the storage device 11, and the output signal NS of the vibration sensor 1 is used as the learning value. It is good to correct.
  • step S15 When it is detected that knocking has occurred (step S15), the control device 12 performs knocking avoidance suppression, for example, retards the ignition timing (step S16). If it is determined in step S11 that it is not the knocking detection section, or if knocking is not detected in step S15, the abnormal combustion detection is terminated and the process returns.
  • step S17 If it is determined in step S3 that the load is smaller than the predetermined value, if it is determined in step S4 that the water temperature is higher than the predetermined value, if it is determined in step S5 that it is not the pre-ignition detection zone, and if it is determined in step S9
  • step S17 When the ignition is not detected, it is determined whether or not it is a knocking detection section (step S17). If it is determined that it is a knocking detection section, knocking detection processing is selected (step S18), and the output signal NS of the vibration sensor 1 is A / D converted by the A / D converter 8 for low rotation (step S18). S19). Then, using the digital signal output from the A / D converter 8, a knocking detection process is performed by the arithmetic device 9 (step S20).
  • the knocking detection process when the voltage level of the output signal NS of the vibration sensor 1 exceeds a predetermined value, the knocking detection process is compared with the frequency specific to abnormal combustion of the vibration sensor 1 stored in the storage device 11. Is to do. Further, knocking can be detected not only by the combination of the voltage level and the frequency analysis but only by the voltage level or by the frequency analysis alone. In this case, since it may be easily affected by noise or the like, for example, background noise specific to the engine is stored as a learning value in the storage device 11, and the output signal NS of the vibration sensor 1 is used as the learning value. It is good to correct.
  • step S21 When it is detected that knocking has occurred (step S21), the control device 12 performs knocking avoidance suppression, for example, retards the ignition timing (step S22). If it is determined in step S17 that it is not the knocking detection section, or if knocking is not detected in step S21, the detection of abnormal combustion is terminated and the process returns.
  • the output signal NS of the vibration sensor 1 installed in the engine 100 is acquired by converting into two signals having different gains, and the gain increases as the engine speed increases. Select a low signal and detect the occurrence of knocking. Then, abnormal combustion different from knocking, for example, pre-ignition, is determined using a high gain signal (non-selection signal) that is not selected when the engine speed is high.
  • a high gain signal non-selection signal
  • the vibration sensor 1 for detecting knocking and the signal processing unit the amplifier 4, the A / D converter 7 and the calculation.
  • the preignition can be detected using the device 9). Therefore, abnormal combustion different from knocking can be detected using the vibration sensor for detecting knocking and the signal processing unit.
  • ⁇ Modification 1> For example, in the above-described embodiment, the engine speed, the load, and the water temperature are detected, and the detection of pre-ignition and the detection of knocking are switched. However, the engine speed can be switched only by the level of the engine speed, and the engine speed and the load may be switched in combination. Furthermore, the switching may be performed in consideration of the output of the sensor other than the engine speed, the load, and the water temperature.
  • the output signal of the vibration sensor 1 is amplified by the amplifier 4 and the amplifiers 4 and 5, respectively, and A / D converters 7 and 8 are respectively A / D converted.
  • Each output can be processed by a DSP (Digital Signal Processor).
  • DSP Digital Signal Processor
  • amplification is performed by the one-stage amplifier 4 and the two-stage amplifiers 4 and 5, the configuration is not limited to this configuration as long as amplification can be performed with low gain and high gain.
  • the output signal of the vibration sensor is obtained by converting it into two signals having different gains, but it is obtained by converting it into three or more signals having different gains, and the gain increases as the engine speed increases.
  • a low signal may be selected, and abnormal combustion different from knocking may be determined using a non-selected signal or a low gain signal.

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Abstract

ノッキングの検出精度を確保しつつ、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる内燃機関の異常燃焼検出装置及びその検出方法を提供する。　異常燃焼検出装置は、内燃機関に設置された振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換して取得し、機関回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、内燃機関のノッキングの発生を検出する。更に、振動センサの出力信号から変換して取得したゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又はゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定する。

Description

内燃機関の異常燃焼検出装置及びその検出方法
　本発明は、内燃機関の異常燃焼を検出する異常燃焼検出装置及びその検出方法に関する。
　エンジンの異常燃焼現象には、例えば点火後に発生するノッキングと、点火前に発生するプレイグニッションがある。ノッキングの検出と対策は、従来から種々実施されている。しかし、近年の過給直噴エンジンのダウンサイジングに伴う高圧縮比化や高過給化により、低回転且つ高負荷領域におけるプレイグニッションの問題が顕在化してきている。低回転且つ高負荷領域で発生するプレイグニッションはスーパーノックとも呼ばれ、急激な圧力上昇を伴い、エンジン破損に繋がる可能性がある。このため、ノッキング検出だけでなくプレイグニッション検出の必要性が高まってきている。
　特許文献１には、ノッキングとプレイグニッションを検出する技術が記載されている。すなわち、１つまたは２つの振動検出センサの出力信号を、独立した周波数の２つのバンドパスフィルタに供給し、これらを異なる利得（ゲイン）のＡ／Ｄ変換器を用いてデジタル信号に変換する。そして、これらデジタル信号におけるノッキングとプレイグニッションのそれぞれ特異な振動成分を閾値と比較することで、ノッキングとプレイグニッションを検出する。
特許３２３６７６６号公報
　上記特許文献１の技術によれば、振動検出センサの出力信号を用いてノッキングとプレイグニッションの双方を検出できる。しかしながら、エンジンの低回転時には振動検出センサの信号レベルが小さく、高回転時には信号レベルが大きいため、十分なダイナミックレンジを確保するのが難しく、ノッキングの検出精度が低下する可能性がある。
　本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ノッキングの検出精度を確保しつつ、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる内燃機関の異常燃焼検出装置及びその検出方法を提供することにある。
　本発明の内燃機関の異常燃焼検出装置は、内燃機関に設置された振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換するように構成された変換器と、機関回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出するように構成された第１の処理部と、前記ゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又は前記ゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するように構成された第２の処理部とを備えることを特徴とする。
　また、本発明の内燃機関の異常燃焼検出方法は、内燃機関に設置された振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換することと、機関回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出することと、前記ゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又は前記ゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定することとを備えることを特徴とする。
　本発明では、ノッキング検出用の振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換した信号のうち、機関回転数が高い場合にはノッキングの検出に用いない非選択の信号、又はゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するようにしている。これによって、ノッキングの検出には振動センサの出力信号をゲインの異なる複数の信号に変換し、機関回転数に応じて選択することで精度を確保し、ノッキング検出に用いない非選択の信号、又はゲインの低い信号を利用して、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる。
本発明の実施形態に係る内燃機関の異常燃焼検出装置の概略構成を示すブロック図である。 プレイグニッションについて説明するためのもので、過給直噴エンジンのパフォーマンスカーブを示す特性図である。 プレイグニッションについて説明するためのもので、スーパーノック発生時のシリンダ内圧力カーブを示す波形図である。 図１に示した異常燃焼検出装置のプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の近傍におけるエンジンの筒内圧を示す波形図である。 図１に示した異常燃焼検出装置におけるプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の関係を示す模式図である。 図１に示した異常燃焼検出装置におけるプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の近傍における振動センサの出力信号を示す波形図である。 図１に示した異常燃焼検出装置の動作を示すフローチャートである。 図５に続く動作を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の異常燃焼検出装置におけるノッキングの検出とプレイグニッションの検出に関係する要部を抽出して示している。図２及び図３は低回転且つ高負荷領域で発生するプレイグニッションについて説明するためのもので、図２は過給直噴エンジンのエンジンパフォーマンスカーブを示す特性図、図３はスーパーノック発生時のシリンダ内圧力カーブを示す波形図である。図４Ａ乃至図４Ｃは図１の異常燃焼検出装置におけるプレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の近傍の筒内圧、点火タイミング及び振動センサの出力信号を示している。
　本実施形態では、エンジン破損に至る虞があるプレイグニッションは、エンジンの低回転領域で発生すること、及び振動センサの信号強度はノッキングよりもプレイグニッションの方が大きいことに着目している。そして、エンジン低回転時には不使用である高回転時用（低ゲイン）の信号処理部を、プレイグニッションの検出に用いる。これによって、基本的なシステム構成とノッキング検出精度を維持しつつ、ノッキングとプレイグニッションの双方を検出する。
　図２に示すように、過給直噴エンジンでは、エンジン回転速度の上昇に伴って破線２０で示すように出力（パワー）が上昇する。これに対し、トルクは、実線３０で示すように比較的低回転で最大トルクが発生し、高回転近くまで最大トルクを維持する。プレイグニッションは、斜線で囲んで示す低回転領域４０で発生しやすい。
　車輌停止状態からの急加速や全開加速のような、低回転且つ高負荷領域で発生するプレイグニッション（スーパーノック）は、図３に実線５０で示すように急激な圧力上昇と圧力変動を伴う。図３において、一点鎖線６０はエンジンを空回りさせたときのシリンダ内圧力変化を示し、破線７０は正常燃焼時の圧力変化、破線８０はノッキング（スパークノック）時の圧力変化をそれぞれ示している。
　このように、低回転且つ高負荷領域でプレイグニッションが発生すると、エンジンに大きなダメージを与える可能性がある。なお、“０”は上死点、“Ｔｉｇ”は点火タイミングである。
　図４Ａに示すように、エンジンの筒内圧はピストンの上昇に伴って上昇していき、上死点の直前のタイミングＴｉｇで点火される。点火によって筒内圧は大きく上昇し、その後、徐々に低下していく。図４Ｂに示すように、プレイグニッション検出区間とノッキング検出区間の一部がオーバーラップしているが、本実施形態では２つのＡ／Ｄ変換器の出力信号を選択することにより、ノッキングとプレイグニッションの双方を検出することができる。振動センサの出力信号は、図４Ｃに示すようにプレイグニッションの場合には点火の前に発生し、ノッキングの場合には点火の後に発生する。よって、プレイグニッション検出区間かノッキング検出区間かを判定することで、１つの振動センサの出力信号で双方の異常燃焼を検出できる。
　すなわち、図１に示す異常燃焼検出装置は、エンジン１００に設置された振動センサ（ノックセンサ）１の出力信号ＮＳがＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００に入力される。このＥＣＵ２００により、振動センサ１で検出された燃焼室の圧力振動に基づいて、プレイグニッションとノッキングが検出される。そして、この検出結果に基づいて、エンジン１００が制御されて異常燃焼を抑制するものである。
　また、エンジン１００には、例えばクランク角センサ２及び水温センサ３が更に設置されている。クランク角センサ２の出力信号ＮＥ、水温センサ３の出力信号ＴＳがそれぞれＥＣＵ２００に入力される。クランク角センサ２は、エンジン回転数の検出に用いられる。水温センサ３は、オイル起因のスーパーノックが低水温時に発生する可能性があるため、これを検出するために用いられる。
　ＥＣＵ２００に入力された振動センサ１の出力信号ＮＳは、増幅器４で増幅されてＣＰＵ（Central Processing Unit）６の高回転時用信号入力部（低ゲイン）６ａに入力されるとともに、この振動センサ１の出力信号ＮＳが、増幅器４，５で増幅されてＣＰＵ６の低回転時用信号入力部（高ゲイン）６ｂに入力される。これら信号入力部６ａ，６ｂにはそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器７，８の入力端が接続されており、異なるゲインで増幅された振動センサ１の出力信号（アナログ信号）ＮＳがＡ／Ｄ変換器７，８によりそれぞれデジタル信号に変換されるようになっている。また、Ａ／Ｄ変換器７の出力は、エンジン回転数が高い場合にはノッキング検出処理部９ａに供給され、回転数が低い場合にはプレイグニッション検出処理部９ｃに供給される。ここでは、ノッキング検出処理部９ａ、プレイグニッション検出処理部９ｃ及び入力の切り換えをソフトウェアで実現しているが、各処理部を専用のＩＣチップやモジュールで形成し、トランジスタなどのスイッチ素子で切り換えるように構成すれば、ハードウェアで実現することもできる。
　ＣＰＵ６は、ノッキングを検出する際には、エンジン回転数が低い場合には信号入力部６ｂから入力されたゲインの高い信号を選択し、エンジン回転数が高い場合には信号入力部６ａから入力されたゲインの低い信号を選択する。したがって、エンジンが低回転時にはＡ／Ｄ変換器８から出力されるデジタル信号がノッキング検出処理部９ｂに入力され、エンジンが高回転時にはＡ／Ｄ変換器７から出力されるデジタル信号がノッキング検出処理部９ａに入力され、演算装置９によりノッキング検出処理が実行される。ノッキング検出処理部９ｂもソフトウェアで実現しているが、ハードウェアで構成することもできる。
　このように構成しているのは、ノッキングはエンジン１００が低回転時には信号レベルが小さく、高回転時には信号レベルが大きいという特性のためである。１つの振動センサ１に対して低回転時用（高ゲイン）と高回転時用（低ゲイン）に２つのＡ／Ｄ変換器７，８を割り当て、これらのＡ／Ｄ変換器７，８から出力されるデジタル信号を演算装置９に入力して、エンジン回転数に応じてノッキング検出処理を行う。このように、低回転時用と高回転時用の二系統で信号処理を行うことで、十分なダイナミックレンジを確保して高精度なノッキング検出を実現できる。
　これに対し、エンジン破損に至るプレイグニッションの発生領域は、上述したように低回転領域に限られており、信号強度はノッキングに比べてプレイグニッションの方が大きい。そこで、エンジン１００の低回転時には、高回転時用（低ゲイン）のＡ／Ｄ変換器７をプレイグニッション検出用として用い、プレイグニッション検出処理を実行する。この際、Ａ／Ｄ変換器８はノッキング検出用として用い、ノッキング検出処理を実行する。このように、１つの振動センサ１で、異なるゲインの出力信号を用いてノッキングを検出するとともに、ノッキングと異なる異常燃焼であるプレイグニッションも検出できる。
　また、ＣＰＵ６の信号入力部６ｃにはクランク角センサ２の出力信号ＮＥが入力され、信号入力部６ｄには水温センサ３の出力信号ＴＳが入力されて、これらの信号もデジタル信号に変換される。そして、クランク角センサ２の出力信号ＮＥにより、例えばエンジン回転数が検出され、Ａ／Ｄ変換器７の出力のノッキング検出処理部９ａとプレイグニッション検出処理部９ｃへの入力の切り換えに利用される。また、水温センサ３の出力信号ＴＳは、エンジン１００の状態や周囲環境の判断に利用される。
　更に、ＥＣＵ２００は、記憶装置１１を備え、エンジン１００を制御装置１２で制御するための種々のプログラムやデータの初期値、ノッキング検出処理部９ａとプレイグニッション検出処理部９ｃを切り換えるための判断に用いるエンジン回転数、負荷及び水温の所定値などが記憶されており、学習値を記憶するようになっている。
　演算装置９によるノッキング検出処理及びプレイグニッション検出処理によりエンジン１００の異常燃焼が検出されると、制御装置１２により異常燃焼を抑制するようにエンジン１００が制御される。例えば、ノッキングが発生していることが検出された場合には、点火タイミングの遅角化が行われる。また、プレイグニッションが発生していることが検出された場合には、ＥＴＢ（Electronic throttle body）の閉駆動や燃料カットが行われる。
　次に、上記のような構成において、図５及び図６のフローチャートにより動作を説明する。エンジン１００に設置されたセンサ（本例ではクランク角センサ２）によってエンジン回転数が検出され（ステップＳ１）、エンジン回転数が記憶装置１１に予め記憶されている所定値と比較される（ステップＳ２）。エンジン回転数が所定値より小さいか等しい場合には、負荷が所定値と比較される（ステップＳ３）。負荷が所定値よりも大きいか等しい場合には、更に水温が所定値と比較される（ステップＳ４）。そして、水温が所定値よりも低いか等しい場合には、プレイグニッション検出区間か否かが判定される（ステップＳ５）。
　ステップＳ５でプレイグニッション検出区間であると判定されると、プレイグニッション検出処理部９ｃが選択され（ステップＳ６）、高回転時用のＡ／Ｄ変換器７で振動センサ１の出力信号がＡ／Ｄ変換される（ステップＳ７）。このＡ／Ｄ変換結果が演算装置９に入力されて、プレイグニッションの検出処理が実施される（ステップＳ８）。
　プレイグニッションの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行うものである。プレイグニッションはノッキングに比べて電圧レベルが大きいので、プレイグニッションの検出は、出力信号ＮＳの電圧レベルのみでも判定可能である。また、プレイグニッションの検出は、周波数解析のみでも可能であり、特にエンジン１００の圧縮工程と膨張行程がオーバーラップする領域では、振動センサ１の出力信号の周波数に基づいて判定すると良い。プレイグニッションが検出されたか否かが判定され（ステップＳ９）、プレイグニッションが発生していることが検出されると、ＥＴＢの閉駆動や燃料カットなどが行われてプレイグニッションが抑制される（ステップＳ１０）。
　一方、ステップＳ２でエンジン回転数が所定値より大きいと判定された場合には、ノッキング検出区間であるか否かが判定される（ステップＳ１１）。ノッキング検出区間であると判定されると、ノッキング検出処理が選択され（ステップＳ１２）、高回転時用のＡ／Ｄ変換器７で振動センサ１の出力信号がＡ／Ｄ変換される（ステップＳ１３）。そして、Ａ／Ｄ変換器７から出力されるデジタル信号を用いて、演算装置９でノッキング検出処理が実施される（ステップＳ１４）。
　ノッキングの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行うものである。また、電圧レベルと周波数解析の組み合わせではなく、電圧レベルのみ、あるいは周波数解析のみでもノッキングを検出可能である。この場合には、ノイズなどによる影響を受けやすくなる可能性があるので、例えば記憶装置１１にエンジン固有の背景ノイズを学習値として記憶させておき、この学習値で振動センサ１の出力信号ＮＳを補正するとよい。ノッキングが発生していることが検出されると（ステップＳ１５）、制御装置１２によりノッキング回避抑制が実施され、例えば点火タイミングの遅角化が行われる（ステップＳ１６）。
　ステップＳ１１でノッキング検出区間でないと判定された場合や、ステップＳ１５でノッキングが検出されない場合には異常燃焼の検出を終了してリターンする。
　ステップＳ３で負荷が所定値より小さいと判定された場合、ステップＳ４で水温が所定値より高いと判定された場合、ステップＳ５でプレイグニッション検出区間ではないと判定された場合、及びステップＳ９でプレイグニッションが検出されない場合には、ノッキング検出区間であるか否かが判定される（ステップＳ１７）。ノッキング検出区間であると判定されると、ノッキング検出処理が選択され（ステップＳ１８）、低回転時用のＡ／Ｄ変換器８で振動センサ１の出力信号ＮＳがＡ／Ｄ変換される（ステップＳ１９）。そして、Ａ／Ｄ変換器８から出力されるデジタル信号を用いて、演算装置９でノッキング検出処理が実施される（ステップＳ２０）。
　ノッキングの検出処理は、振動センサ１の出力信号ＮＳの電圧レベルが所定値を超えている場合に、記憶装置１１に記憶されている振動センサ１の異常燃焼固有の周波数と比較することで周波数解析を行うものである。また、電圧レベルと周波数解析の組み合わせではなく、電圧レベルのみ、あるいは周波数解析のみでもノッキングを検出可能である。この場合には、ノイズなどによる影響を受けやすくなる可能性があるので、例えば記憶装置１１にエンジン固有の背景ノイズを学習値として記憶させておき、この学習値で振動センサ１の出力信号ＮＳを補正するとよい。ノッキングが発生していることが検出されると（ステップＳ２１）、制御装置１２によりノッキング回避抑制が実施され、例えば点火タイミングの遅角化が行われる（ステップＳ２２）。
　ステップＳ１７でノッキング検出区間でないと判定された場合や、ステップＳ２１でノッキングが検出されない場合には異常燃焼の検出を終了してリターンする。
　以上説明したように、本発明によれば、エンジン１００に設置された振動センサ１の出力信号ＮＳを、ゲインの異なる２つの信号に変換して取得し、エンジン回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、ノッキングの発生を検出する。そして、エンジン回転数が高いときには非選択となるゲインの高い信号（非選択の信号）を用いてノッキングと異なる異常燃焼、例えばプレイグニッションを判定する。このように、エンジン低回転時にノッキング検出用のＡ／Ｄ変換器７をプレイグニッション検出に用いることで、ノッキング検出用の振動センサ１と信号処理部（増幅器４、Ａ／Ｄ変換器７及び演算装置９）を利用してプレイグニッションを検出できる。したがって、ノッキング検出用の振動センサと信号処理部を利用して、ノッキングと異なる異常燃焼を検出できる。
　以上実施形態を用いて本発明の説明を行ったが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
＜変形例１＞
　例えば、上述した実施形態では、エンジン回転数、負荷及び水温を検出してプレイグニッションの検出とノッキングの検出を切り換えるようにした。しかしながら、エンジン回転数の高低のみで切り換えることもでき、エンジン回転数と負荷を組み合わせて切り換えるようにしても良い。更に、エンジン回転数、負荷及び水温以外の他のセンサの出力を考慮して切り換えるようにしても良い。
＜変形例２＞
　また、図５のステップＳ２及びステップＳ３において、演算装置９でエンジン回転数が所定値よりも大きいか小さいか、あるいは負荷が所定値よりも大きいか小さいか判定するようにしたが、例えば記憶装置１１にエンジン回転数と負荷のマップを記憶しておき、このマップを用いて判定するように構成することもできる。
＜変形例３＞
　更に、振動センサ１の出力信号を、増幅器４及び増幅器４，５でそれぞれ増幅し、Ａ／Ｄ変換器７，８でそれぞれＡ／Ｄ変換するようにしたが、増幅器４及び増幅器４，５の出力をそれぞれＤＳＰ（Digital Signal Processor）により処理することもできる。更にまた、１段の増幅器４と２段の増幅器４，５で増幅するようにしたが、低ゲインと高ゲインで増幅できれば、この構成に限られない。
＜変形例４＞
　また、振動センサの出力信号をゲインの異なる２つ信号に変換して取得するようにしたが、ゲインの異なる３つ以上の信号に変換して取得し、エンジン回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、非選択の信号、又はゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するようにしても良い。
　なお、上記実施形態及び変形例には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態及び変形例に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
　１…振動センサ、２…クランク角センサ、３…水温センサ、４，５…増幅器、６…ＣＰＵ、６ａ…高回転時用信号入力部（低ゲイン）、６ｂ…低回転時用信号入力部（高ゲイン）、６ｃ，６ｄ…信号入力部、７，８…Ａ／Ｄ変換器、９…演算装置、９ａ，９ｂ…ノッキング検出処理部、９ｃ…プレイグニッション検出処理部、１１…記憶装置、１２…制御装置、１００…エンジン、２００…ＥＣＵ、ＮＳ…振動センサの出力信号、ＮＥ…クランク角センサの出力信号、ＴＳ…水温センサの出力信号

Claims (20)

  1. 　内燃機関に設置された振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換するように構成された変換器と、
    　機関回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出するように構成された第１の処理部と、
    　前記ゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又は前記ゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定するように構成された第２の処理部と
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常燃焼検出装置。
  2. 　前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  3. 　前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く且つ前記内燃機関に高負荷がかかった場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  4. 　前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く、前記内燃機関に高負荷がかかり、冷却水温が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  5. 　前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記振動センサの出力電圧、又は前記振動センサの異常燃焼固有の周波数を用いる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  6. 　前記第１の処理部及び前記第２の処理部による前記ノッキングの判定は、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行し、前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、電圧レベルによって判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  7. 　前記第２の処理部による前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、更に前記内燃機関の圧縮工程と膨張行程がオーバーラップする領域では、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行する、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  8. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼は、プレイグニッションである、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  9. 　前記変換器により前記振動センサの出力信号を、複数の信号に変換する処理は、ゲインの異なる複数の増幅器の出力をそれぞれ複数のＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換するものである、ことを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  10. 　前記変換器により前記振動センサの出力信号を、複数の信号に変換する処理は、ゲインの異なる複数の増幅器の出力をそれぞれＤＳＰ（Digital Signal Processor）により処理するものである、ことを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  11. 　前記第１の処理部は、前記ゲインの異なる複数の信号がそれぞれ入力される複数のＡ／Ｄ変換器と、前記複数のＡ／Ｄ変換器にそれぞれ対応して設けられ、前記内燃機関のノッキングの発生を検出するように構成された複数のノッキング検出処理部とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  12. 　前記第２の処理部は、前記ゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又は前記ゲインの低い信号が入力されるＡ／Ｄ変換器の出力信号が入力されるプレイグニッション検出処理部を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の異常燃焼検出装置。
  13. 　内燃機関に設置された振動センサの出力信号を、ゲインの異なる複数の信号に変換することと、
    　機関回転数が高くなるにしたがってゲインの低い信号を選択し、前記内燃機関のノッキングの発生を検出することと、
    　前記ゲインの異なる複数の信号のうち非選択の信号、又は前記ゲインの低い信号を用いてノッキングと異なる異常燃焼を判定することと
    を備えることを特徴とする内燃機関の異常燃焼検出方法。
  14. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  15. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く且つ前記内燃機関に高負荷がかかった場合に実行する、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  16. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記機関回転数が所定値よりも低く、前記内燃機関に高負荷がかかり、冷却水温が所定値よりも低い場合に実行する、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  17. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、前記振動センサの出力電圧、又は前記振動センサの異常燃焼固有の周波数を用いる、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  18. 　前記ノッキングの判定は、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行し、前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、電圧レベルによって判定する、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  19. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼の判定は、更に前記内燃機関の圧縮工程と膨張行程がオーバーラップする領域では、前記振動センサの出力信号の周波数に基づいて実行する、ことを特徴とする請求項１８に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
  20. 　前記ノッキングと異なる異常燃焼は、プレイグニッションである、ことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の異常燃焼検出方法。
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