JP2005282382A - 燃焼状態検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ成分を有効に除去することができると共に、ノック強度の強弱に拘わらず、ノック発生の有無を高精度に検出できるようにする。
【解決手段】設定燃焼区間のイオン電流の最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとを求め（Ｓ１，Ｓ２）、最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとを軸とする座標マップで構成されたノック判定マッブを読込み（Ｓ３）、ノック判定マップに設定されているノック判定領域と、最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとで設定される座標点Ｐとを比較し、座標点Ｐがノック判定領域にあるときノック有りと判定する（Ｓ４）。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室内のイオン或いは燃焼圧等に基づいてノックを検出する燃焼状態検出装置に関する。

一定空燃比においてエンジン出力を高めるには、過給機による過給、或いは自然吸気エンジンにおける慣性過給等により充填効率を高めると共に点火時期を最適点火時期(ＭＢＴ: Minimum Advance for Best Torque)に設定して、熱効率を高くすれば良い。しかし、充填効率を高め、或いは点火時期を最適点火時期まで進角させるとノックが発生する場合がある。ノックが発生すると熱効率が却って低下するため、ノックセンサを用いてノック発生の有無を検出し、ノックを検出したときは、点火時期を遅角補正する等してノックの発生を回避する制御が行われる。

ノックセンサとしては、シリンダブロックに設けた磁歪式あるいは圧電式が多く採用されている。しかし、この種のノックセンサは各気筒に発生したノックを直接検出するものではなく、ある気筒で発生したノックをシリンダブロックに伝播される振動を介して検出するものであるため、ノックの発生している気筒を特定することができない。従って、ノックセンサにてノックを検出した場合には、全気筒に対して点火時期を遅角補正する等のノック制御が行われる。

これに対し、最近では、各気筒の燃焼状態を調べてノック発生の有無を気筒毎に検出し、ノックの発生した気筒に対してのみノック制御を行う技術が種々提案されている。

例えば特許文献１（特開平６−１５９１２９号公報）には、正常燃焼時のイオン濃度の瞬間的な変化と推測されるステップ的な電流値の変化に起因するノック誤判定を防止するため、イオン電流から所定周波数特性を有するノック電流を分離し、分離したノック電流を積分し、この積分結果に基づいてノック発生の有無を気筒毎に検出する技術が開示されている。

又、特許文献２（特開平１０−２５２６３４号公報）には、イオン電流は、エンジンの運転環境の変化に起因して大きく変化する特性を有しているため、イオン電流のピーク値を計測する一方、バンドパスフィルタを通してノイズ成分を除去した後のイオン電流を積分してノック成分を抽出し、抽出したノック成分をイオン電流のピーク値に基づいて補正し、補正後の値とノック判定レベルとを比較して、ノック発生の有無を気筒毎に判定する技術が開示されている。

一方、特許文献３（特開２００２−３６４４４７号公報）には、各気筒に燃焼圧センサを配設し、各燃焼圧センサで検出した燃焼圧を、基準クランク角毎にサンプリングし、その変化量に基づきノック発生の有無を検出する技術が開示されている。
特開平６−１５９１２９号公報 特開平１０−２５２６３４号公報 特開２００２−３６４４４７号公報

特許文献１に記載されている技術では、バンドパスフィルタを通過させてノイズ成分を除去した後のイオン電流を積分することで、元のイオン電流のステップ的な変化によるノイズ成分を吸収している。しかし、バンドパスフィルタを通過させたイオン電流にもノイズ成分が依然として重畳されている場合が多く、このようなイオン電流を単純に積分し、その値と判定値とを比較した場合、特に、ノック限界付近ではノイズ混入により、ノックが発生していないにも拘わらず、ノック発生有りと誤判定する可能性がある。或いは強度の弱いノックを検出することができない問題がある。

又、特許文献２では、イオン電流のピーク値と、バンドパスフィルタを通過した後のイオン電流の積分値との間に相関があることを利用してノック発生の有無を検出するようにしている。しかし、イオン電流のピーク値とノック強度との間に、ある程度の相関は存在しているが、強い相関があるものではない。その結果、特許文献２に記載されているように、イオン電流のピーク値に基づいてノック成分を補正した場合、強度の弱いノック成分が除去されてしまうため、高い検出精度を得ることができない。一方、強度の弱いノック成分を検出しようとした場合、ノイズ成分の影響で誤判定が生じ易くなり、検出精度に問題が生じる。

又、特許文献３に記載されているように、燃焼圧センサで検出した燃焼圧に基づいてノック発生の有無を検出する場合、燃焼圧センサから出力される燃焼圧信号自体はノイズ成分が少ないが、燃焼圧センサがシリンダヘッドに固接されて点火ノイズ等の比較的強いノイズにさらされる環境下にあるためＳ／Ｎ比が悪化し易く、強度の強いノックは検出できるが、強度の弱いノックを検出することができない問題がある。又、強度の弱いノックを検出しようとした場合、実際にはノックが発生していないにも拘わらず、ノック発生と誤検出する可能性があり、検出精度に問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、ノイズ成分を有効に除去すると共に、ノック強度の強弱に拘わらず、ノック発生の有無を高精度に検出することのできる燃焼状態検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明による燃焼状態検出装置は、燃焼室の燃焼状態を検出して燃焼信号を出力する燃焼検出手段と、上記燃焼信号の所定周波数帯域でのスペクトルを抽出するノイズ除去手段と、設定燃焼区間の上記スペクトルの最大振幅を検出する最大振幅検出手段と、上記設定燃焼区間の上記スペクトルの積分値を算出する積分値算出手段と、上記最大振幅と上記積分値とに基づきノック発生の有無を判定するノック判定手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ノイズ成分を有効に除去すると共に、ノック強度の強弱に拘わらず、ノック発生の有無を高精度に検出することができる。

以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１〜図４に本発明の第１形態を示す。図１は燃焼状態検出装置の全体構成図である。

同図の符号１は、各気筒に対応して配設されている点火コイルであり、一次巻線１ａの一端がバッテリ２に接続され、他端がイグナイタ回路を構成する点火トランジスタ３のコレクタに接続されている。更に、点火トランジスタ３のエミッタが接地され、又、ベースに点火信号が印加される。一方、点火コイル１の二次巻線１ｂの一端に、点火プラグ４の中心電極４ａと燃焼検出手段としてのイオン電流検出回路１１が並列に接続され、外側電極４ｂが接地されている。更に、点火コイル１の二次巻線１ｂの他端がバッテリ２に接続されている。

図２（ａ）に示すように点火トランジスタ３のベースに点火信号を印加して、点火トランジスタ３をＯＮした後、この点火トランジスタ３をＯＦＦさせて、点火コイル１の二次巻線１ｂに高電圧を誘起すると、同図（ｂ）に示すように点火プラグ４の電極４ａ，４ｂ間に火花放電が発生し、この火花放電により燃焼室内の混合気が着火して燃焼が開始される。

燃焼が開始されると燃焼室内の分子が電離（イオン化）する。その際、点火プラグ４の電極４ａ，４ｂ間に高電圧を印加すると、電荷を有するイオンがイオン電流として検出される。イオン電流は燃焼室内の燃焼状態に応じて鋭敏に変化することが知られており、その波形は、図２（ｃ），（ｄ）に示すように燃焼波形圧とほぼ同一となる。尚、図２（ｃ）は正常燃焼時の波形であり、同図（ｄ）はノック発生時の波形である。従って、イオン電流を監視することで、気筒内の燃焼状態（ノックや失火の発生）を把握することができる。

本形態による燃焼状態検出装置は、イオン電流検出回路１１、バンドパスフィルタ１２を有すると共に、ノックを判定する機能としてウインドウ処理部１３、最大振幅検出手段としての最大振幅検出部１４、積分値算出手段としての積分値算出部１５、ノック判定手段としてのノック判定部１６を有している。

イオン電流検出回路１１は、燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンを介して、点火プラグ４の電極４ａ，４ｂ間に流れるイオン電流を検出するもので、火花放電後の点火プラグ４に対して高電圧を印加するコンデンサや、イオン電流検出抵抗等を有しており、イオン電流検出抵抗で検出される電位からイオン電流を検出すると共に、増幅して出力する。

バンドパスフィルタ（以下、「ＢＰＦ」）１２は、図２（ｅ）に示すように、所定周波数帯域のノック成分を含むスペクトルのイオン電流信号を生成する。図２（ｃ），（ｄ）に示すように、イオン電流には点火ノイズを代表とするノイズ成分が重畳されており、ＢＰＦ１２を通すことで、大部分のノイズ成分が除去される。尚、図２（ｅ）には、図２（ｄ）に示すノック成分が重畳されたイオン電流を帯域処理して生成されたイオン電流信号が示されている。

ウインドウ処理部１３は、ＢＰＦ１２で抽出したイオン電流信号のうち、ノック成分の重畳される燃焼区間のイオン電流信号を抽出するもので、ウインドウ処理を行う燃焼区間はクランク角に基づいて設定される固定区間である。図２（ｄ）に示すように、ノックはイオン電流がピーク値を示した後に発生する場合が多い。従って、ウインドウ処理を行う燃焼区間は、少なくともノックの発生し易い燃焼区間を含む領域に設定される。本形態では、図２（ｆ）に示すように、イオン電流ピーク値を示すクランク角よりも進角された位置から燃焼が終了するまでを含む燃焼区間をウインドウ処理している。尚、ウインドウ処理を開始するクランク角は、例えばイオン電流の値に基づき、このイオン電流が所定値以上となったときに開始させるようにしても良い。

最大振幅検出部１４は、図２（ｇ）に示すように、ウインドウ処理部１３でウインドウ処理されたイオン電流信号の最大振幅Ａｍを計測する。

積分値算出部１５は、ウインドウ処理されたイオン電流信号を積分処理して、その値（積分値）Ｉｎを算出する。

ノック判定部１６は、最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づき、ノック判定マップを参照して、ノック発生の有無を判定すると共に、ノック発生と判定した場合は、その強度を検出する。ところで、図２（ｇ）に示すように、イオン電流信号をウインドウ処理部１３でウインドウ処理しても、ノック以外の所定周波数スペクトルがノイズ成分として重畳されている。ノイズ成分が重畳されているイオン電流信号の最大振幅Ａｍ、及び積分値Ｉｎを調べると、最大振幅Ａｍがそれほど大きくないにも拘わらず通常よりも大きな値の積分値Ｉｎが算出される（例えば図４の座標点Ｐ５）。或いは、積分値Ｉｎが大きな値を示していないにも拘わらず、最大振幅Ａｍが大きな値を示す（例えば、図４の座標点Ｐ４）。従って、積分値Ｉｎのみでノック判定を行った場合、ノイズ成分の影響により誤判定し易くなる。

ノック判定部１６では、ウインドウ処理後のイオン電流信号に基づいて設定した最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づきノック成分を除去し、ノックの誤検出を防止するようにしている。ノック判定部１６で実行されるノック判定は、具体的には、図３に示すノック判定ルーチンに従って処理される。

このルーチンは、所定クランク角毎に実行され、先ずステップＳ１で、最大振幅検出部１４で検出したイオン電流信号の最大振幅Ａｍを読込み、ステップＳ２で、積分値算出部１５で算出した積分値Ｉｎを読込む。

次いで、ステップＳ３へ進み、ノック判定マップを読込む。最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとの間には強い相関を有していることが、実験から解明されている。特に、ノック発生時はより強い相関を示す傾向がある。従って、最大振幅Ａｍ、及び積分値Ｉｎを調べることで、ノック発生の有無、及びノック発生した場合のノック強度を正確に検出することができる。

図４に示すように、ノック判定マップは、横軸を積分値Ｉｎ、縦軸を最大振幅Ａｍとする二次元座標マップである。ところで、最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとをパラメータとして、運転領域毎に座標点Ｐ（Ｉｎ，Ａｍ）を示した場合、ノック強度を強くするに従い、座標点Ｐ（Ｉｎ，Ａｍ）が所定傾きの直線上に収束することが判明した。本形態では、実験などから求めた運転領域毎の最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づき、一次近似式Ａｍ＝ａ・Ｉｎ＋ｂを求め、これを中心としてノック判定領域の幅（領域幅）Ａｍ＝ｃ（ａ・Ｉｎ＋ｂ），Ａｍ＝ｄ（ａ・Ｉｎ＋ｂ）（但し、ｃ，ｄは任意の係数）を求めると共に、ノック限界を示す座標軸（Ａｍ１，Ｉｎ１）を求める。

ノック判定マップは、Ａｍ＝ｃ（ａ・Ｉｎ＋ｂ），Ａｍ＝ｄ（ａ・Ｉｎ＋ｂ），Ｉｎ＝Ｉｎ１，Ａｍ＝Ａｍ１で囲まれた領域をノック発生領域として設定されている。更に、このノック発生領域が、Ａｍ＝ａ・Ｉｎ＋ｂの関係を有する最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づき複数のノック強度レベル領域に区分されている。本形態では、ノック強度が弱のレベル領域Ｉと、ノック強度が中のレベル領域IIと、ノック強度が強のレベル領域IIIの３レベルに設定されている。尚、ノック判定領域は、２つのノック強度レベル領域に区分されていても良く、又、４つ以上のノック強度レベル領域に区分されていても良い。

そして、ステップＳ４へ進み、最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づいて設定した座標点Ｐ（Ｉｎ，Ａｍ）が、ノック判定マップのノック発生領域にあるか否かを調べ、ノック判定領域から外れているときは、ステップＳ６へ分岐し、ノック判定フラグＦｋをクリアして（Ｆｋ←０）、ルーチンを抜ける。

又、座標点Ｐ（Ｉｎ，Ａｍ）がノック発生領域にある場合は、ステップＳ７へ進み、ノック強度を判定する。そして、弱レベル領域Ｉにある場合（座標点Ｐ１）は、ステップＳ８へ進み、ノック判定フラグＦｋを、弱ノックを示すレベル１で更新して（Ｆｋ←１）、ルーチンを抜ける。中レベル領域IIにある場合（座標点Ｐ２）は、ステップＳ９へ進み、ノック判定フラグＦｋを、中ノックを示すレベル２で更新して（Ｆｋ←２）、ルーチンを抜ける。又、強レベル領域IIIにある場合（座標点Ｐ３）は、ステップＳ１０へ進み、ノック判定フラグＦｋを、強ノックを示すレベル３で更新して（Ｆｋ←３）、ルーチンを抜ける。

その結果、図４に示すように、例えば積分値Ｉｎと最大振幅Ａｍとがノック限界（Ｉｎ＝Ｉｎ１，Ａｍ＝Ａｍ１）よりも高い値を示していても、それらによって設定される座標点がＰ４或いはＰ５にある場合は、ノック発生領域から外れているため、ノック無し、すなわちノイズ成分であると判定する。

このように、本形態によれば、積分値Ｉｎと最大振幅Ａｍとがノック限界（Ｉｎ＝Ｉｎ１，Ａｍ＝Ａｍ１）よりも高い値を示していても、その座標点がノック判定領域から外れている場合は、ノック無しと判定されるので、ノイズ成分によるノックの誤判定を未然に防止することができる。その結果、ノック強度の強弱に拘わらず高いノック検出精度を得ることができる。

更に、ノック強度を検出しているため、例えば点火時期制御においては、ノック強度に応じた遅角量、すなわち、ノック強度が弱ければ小さい遅角量で、ノック強度が強ければ、大きな遅角量で点火時期を補正することができるため、エンジン出力を必要以上に制限することなく、ノックを有効に回避することができ、よりきめの細かい点火時期制御を行うことができる。

又、ノック判定は気筒毎に行っているので、ノックの発生していない気筒は通常のエンジン制御が行うことができ、良好な運転性能を得ることができると共に、燃費の悪化を最小限とすることができる。

又、ノック発生領域の幅を、ノック発生時の一次近似式Ａｍ＝ａ・Ｉｎ＋ｂを中心とするノック判定領域の幅Ａｍ＝ｃ（ａ・Ｉｎ＋ｂ），Ａｍ＝ｄ（ａ・Ｉｎ＋ｂ）にて設定しているので、係数ｃ，ｄを各車両の運転特性に合わせて設定するだけで、ノック判定領域の幅を任意に設定することができるため、車両毎に最適なチューニングを行うことができる。

尚、イオン電流は点火プラグ４以外に、イオン電流検出用電極を燃焼室内に別途設け、このイオン電流検出用電極にて検出するようにしても良い。

又、図５に本発明の第２形態による燃焼状態検出装置の全体構成図を示す。上述した第１形態では、イオン電流に基づいてノック発生の有無を判定したが、本形態では、感知面を燃焼室に露呈させる燃焼圧センサ３１で検出した燃焼圧に基づいて、ノック発生の有無を判定するものである。

燃焼圧センサ３１は燃焼圧を電気信号（燃焼圧信号）で出力し、ノック発生時は燃焼圧にノックによる振動成分が重畳される。本形態では、燃焼圧信号から振動成分を抽出し、最大振幅Ａｍを計測すると共に積分値Ｉｎを算出し、この最大振幅Ａｍと積分値Ｉｎとに基づきノック発生の有無、及びノック強度を検出する。

従って、本形態は、上述した第１形態に比し、信号ソースが相違しているだけであるため、燃焼圧センサ３１の出力を処理すると共に燃焼圧信号を出力する燃焼検出手段としての燃焼圧検出回路２１が相違しており、この燃焼圧信号を処理するＢＰＦ１２、ウインドウ処理部１３、最大振幅検出部１４、積分値算出部１５、ノック判定部１６で行われる処理は、第１形態と同様である。

第１形態による燃焼状態検出装置の全体構成図 同、イオン電流に基づくノック判定処理を説明するための各信号のタイムチャートであって、（ａ）は点火トランジスタの信号、（ｂ）は点火プラグに通電される二次電流信号、（ｃ）はノックが発生していないときのイオン電流信号、（ｄ）はノックが発生してるときのイオン電流信号、（ｅ）はバンドパスフィルタの出力信号、（ｆ）はウインドウ信号、（ｇ）はウインドウ処理部の出力信号 同、ノック判定ルーチンを示すフローチャート 同、ノック判定マップの説明図 第２形態による燃焼状態検出装置の全体構成図

符号の説明

１ 点火コイル
１ａ 一次巻線
１ｂ 二次巻線
３ 点火トランジスタ
４ 点火プラグ
４ａ 中心電極
４ｂ 外側電極
１１ イオン電流検出回路
１２ バンドパスフィルタ
１３ ウインドウ処理部
１４ 最大振幅検出部
１５ 積分値算出部
１６ ノック判定部
２１ 燃焼圧検出回路
３１ 燃焼圧センサ
Ａｍ 最大振幅
Ｉｎ 積分値
Ｐ１〜Ｐ５ 座標点

代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (6)

1. 燃焼室の燃焼状態を検出して燃焼信号を出力する燃焼検出手段と、
   上記燃焼信号の所定周波数帯域でのスペクトルを抽出するノイズ除去手段と、
   設定燃焼区間の上記スペクトルの最大振幅を検出する最大振幅検出手段と、
   上記設定燃焼区間の上記スペクトルの積分値を算出する積分値算出手段と、
   上記最大振幅と上記積分値とに基づきノック発生の有無を判定するノック判定手段と
   を備えることを特徴とする燃焼状態検出装置。
2. 上記ノック判定手段は、上記最大振幅と上記積分値とをパラメータとする座標マップを備え、該最大振幅と該積分値とに基づいて設定した座標点が、上記座標マップに設定されているノック判定領域にあるときノック発生と判定することを特徴とする請求項１記載の燃焼状態検出装置。
3. 上記ノック判定領域は、ノック強度を高めたときに収束する設定傾きの一次近似式を中心とし、該一次近似式に設定係数を乗算した値で領域幅が設定されていることを特徴とする請求項２記載の燃焼状態検出装置。
4. 上記ノック判定領域は、上記最大振幅と上記積分値との大きさに応じてノック強度レベル領域が複数に区分されていることを特徴とする請求項２〜３の何れかに記載の燃焼状態検出装置。
5. 上記燃焼検出手段は、一対の電極間に介在するイオンに応じて変化するイオン電流を検出するイオン電流検出回路であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の燃焼状態検出装置。
6. 上記燃焼検出手段は、上記燃焼室に臨まされる燃焼圧検出手段から出力される燃焼圧信号を検出する燃焼圧検出回路であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の燃焼状態検出装置。

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