JP4221013B2

JP4221013B2 - 内燃機関の点火時期制御装置

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Publication number: JP4221013B2
Application number: JP2006167726A
Authority: JP
Inventors: 正朝吉原; 健司笠島; 理人金子; 健次千田; 優一竹村; 修平大江
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2026-06-16
Also published as: US7441543B2; JP2007332916A; DE102007000322A1; US20070289575A1

Description

本発明は、内燃機関の点火時期制御装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形および振動の強度に基づいてノッキングの有無を判定するとともに、判定結果に応じて点火時期を遅角する技術に関する。

従来より、内燃機関において発生するノッキング（ノック）を検出する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関の振動の強度がしきい値よりも高いとノッキングが発生したと判定する技術がある。ところが、ノッキングが発生していなくても、たとえば吸気バルブや排気バルブが閉じる際に発生する振動などのノイズの強度がしきい値よりも高い場合がある。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。そこで、振動が発生するクランク角や減衰率など、強度以外の特性も考慮するために振動の波形に基づいてノッキングの有無を判定する技術が提案されている。

特開２００５−３３０９５４号公報（特許文献１）は、振動の波形を用いることによりノッキングが発生したか否かを精度よく判定する内燃機関のノッキング判定装置を開示する。特許文献１に記載のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出部と、内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための振動検出部と、振動の強度に関する値に基づいて、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出部と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶部と、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定部とを含む。判定部は、検出された波形および記憶された波形の偏差を表わす値と振動の強度を表わす値との積であるノック強度が判定値よりも大きいか否かによりノッキングが発生したか否かを判別する。

この公報に記載のノッキング判定装置によれば、クランク角検出部が、内燃機関のクランク角を検出し、振動検出部が振動の強度に関する値を検出し、波形検出部が、振動の強度（大きさ）に関する値に基づいて、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶部が、内燃機関の振動の波形を予め記憶し、判定部が、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、エンジンの振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。さらに、振動の波形に加えて、振動の強度に基づいてノッキングが発生したか否かが判定される。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
特開２００５−３３０９５４号公報

しかしながら、特開２００５−３３０９５４号公報に記載のノッキング判定装置においては、波形の偏差を表わす値と振動の強度を表わす値との積を用いているため、波形が異なっていても、強度が非常に高いと、ノッキングでないにもかかわらずノッキングであると誤判定し得る。この場合、ノッキング時に行なう点火時期の遅角が必要以上に行なわれてしまうという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置は、内燃機関のクランク角を検出するための第１の検出手段と、クランク角についての予め定められた範囲における内燃機関の振動の波形を検出するための第２の検出手段と、検出された波形が内燃機関の振動の波形の基準として定められた波形モデルに類似する度合を表わす第１の値を算出するための第１の算出手段と、内燃機関で発生する振動の強度を表わす第２の値を算出するための第２の算出手段と、第１の値が第１の条件を満たす場合および第２の値が第２の条件を満たす場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定するように、第１の値および第２の値の組み合わせに基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段と、内燃機関にノッキングが発生したと判定された場合、第１の値および第２の値の組み合わせに応じた量だけ点火時期を遅角するように、内燃機関を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、第１の検出手段により、内燃機関のクランク角が検出される。第２の検出手段により、クランク角についての予め定められた範囲における内燃機関の振動の波形が検出される。この波形と波形モデルとの類似度合を表わす第１の値が算出される。さらに、内燃機関で発生する振動の強度を表わす第２の値が算出される。これらの第１の値および第２の値の組み合わせに基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。ところで、内燃機関の振動の波形が波形モデルと類似していなくても、振動の強度がノッキング時の強度と同等になる場合がある。また、振動の強度が低くても、内燃機関の振動の波形が波形モデルと類似する場合がある。これらの場合、いずれも、ノッキングが発生していないといえる。したがって、第１の値が第１の条件を満たす場合および第２の値が第２の条件を満たす場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定される。たとえば、第１の値が第１のしきい値よりも小さいという条件を満たす場合および第２の値が第２のしきい値よりも小さいという条件を満たす場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定される。これにより、ノッキングが発生していないにもかかわらずノッキングが発生したと誤判定することを少なくすることができる。そのため、ノッキング時に行なうべき点火時期の遅角を、誤って行なうことを抑制することができる。その結果、点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる。また、ノッキングが発生したと判定された場合には、第１の値および第２の値の組み合わせに応じた量だけ点火時期を遅角するように、内燃機関が制御される。たとえば、第１の値が小さいほどより小さく点火時期が遅角されたり、第２の値が小さいほどより小さく点火時期が遅角されたりする。これにより、ノッキング時における点火時期の遅角量を細かく設定することができる。そのため。点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる内燃機関の点火時期制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第１の構成に加え、算出手段は、予め定められた範囲における振動の強度の最大値を、内燃機関の振動の強度の基準として定められた値で除算することにより、第２の値を算出するための手段を含む。

第２の発明によると、予め定められた範囲における振動の強度の最大値が、内燃機関の振動の強度の基準として定められた値で除算されて、第２の値が算出される。これにより、ノッキングが発生した場合とそうでない場合とで大きく異なり得る強度の最大値を用いて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる。

第３の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第１または２の構成に加え、第１の条件は、第１の値が第１のしきい値よりも小さいという条件である。第２の条件は、第２の値が第２のしきい値よりも小さいという条件である。

第３の発明によると、第１の値が第１のしきい値よりも小さいという条件を満たす場合および第２の値が第２のしきい値よりも小さいという条件を満たす場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定される。すなわち、検出された波形が波形モデルに類似していないといえる場合および振動の強度が小さいといえる場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定される。これにより、ノッキングが発生していないにもかかわらずノッキングが発生したと誤判定することを少なくすることができる。

第４の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第１〜３のいずれかの構成に加え、制御手段は、第１の値が小さいほど、より小さく点火時期を遅角するように、内燃機関を制御するための手段を含む。

第４の発明によると、第１の値が小さいほどより小さく点火時期が遅角される。すなわち、検出された波形が波形モデルに類似する度合が小さいほどより小さく点火時期が遅角される。これにより、ノッキング時における点火時期の遅角量を細かく設定することができる。そのため。点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる。

第５の発明に係る内燃機関の点火時期制御装置においては、第１〜３のいずれかの構成に加え、制御手段は、第２の値が小さいほど、より小さく点火時期を遅角するように、内燃機関を制御するための手段を含む。

第５の発明によると、第２の値が小さいほどより小さく点火時期が遅角される。すなわち、振動の強度が小さいほどより小さく点火時期が遅角される。これにより、ノッキング時における点火時期の遅角量を細かく設定することができる。そのため。点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る点火時期制御装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。このエンジン１００には複数の気筒が設けられる。本実施の形態に係る点火時期制御装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。

エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。点火時期は、出力トルクが最大になるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）になるように制御されるが、ノッキングが発生した場合など、エンジン１００の運転状態に応じて遅角されたり、進角されたりする。

混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。

エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２と、エアフローメータ３１４とが接続されている。

ノックセンサ３００は、エンジン１００のシリンダブロックに設けられる。ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。

タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランクポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角およびクランクシャフト１１０の回転数を検出する。

スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。エアフローメータ３１４は、エンジン１００に吸入される空気量を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。

エンジンＥＣＵ２００は、電源である補機バッテリ３２０から供給された電力により作動する。エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）２０４に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。

ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。ノッキングに起因して発生する振動の周波数は一定ではなく、所定の帯域幅を有する。そのため、本実施の形態においては、図２に示すように、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃに含まれる振動を検出する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。なお、ノッキングに起因して発生する振動の周波数帯は３つに限られない。

図３を参照して、エンジンＥＣＵ２００についてさらに説明する。エンジンＥＣＵ２００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４００と、バンドパスフィルタ（１）４１０と、バンドパスフィルタ（２）４２０と、バンドパスフィルタ（３）４３０と、積算部４５０とを含む。

Ａ／Ｄ変換部４００は、ノックセンサ３００から送信されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。バンドパスフィルタ（１）４１０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第１の周波数帯Ａの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（１）４１０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第１の周波数帯Ａの振動のみが抽出される。

バンドパスフィルタ（２）４２０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第２の周波数帯Ｂの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（２）４２０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第２の周波数帯Ｂの振動のみが抽出される。

バンドパスフィルタ（３）４３０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第３の周波数帯Ｃの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（３）４３０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第３の周波数帯Ｃの振動のみが抽出される。

積算部４５０は、バンドパスフィルタ（１）４１０〜バンドパスフィルタ（３）４３０により選別された信号、すなわち振動の強度を、クランク角度で５度分づつ積算する。以下、積算された値を積算値と表わす。積算値の算出は、周波数帯ごとに行なわれる。この積算値の算出により、各周波数帯における振動波形が検出される。

さらに、算出された第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値は、クランク角度に対応して加算される。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動波形が合成される。

これにより、図４に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形が、エンジン１００の振動波形として用いられる。

検出された振動波形は、図５に示すようにエンジンＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２に記憶されたノック波形モデルと比較される。ノック波形モデルは、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルとして予め作成される。

ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。

本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の振動に対応している。なお、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。

ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。

ノック波形モデルは、エンジン１００の寸法やノックセンサ３００の出力値が、寸法公差やノックセンサ３００の出力値の公差の中央値であるエンジン１００（以下、特性中央エンジンと記載する）を用いて作成される。すなわち、ノック波形モデルは、特性中央エンジンに強制的にノッキングを発生させた場合における振動波形である。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られず、その他、シミュレーションにより作成してもよい。

検出された波形とノック波形モデルとの比較においては、図６に示すように、正規化された波形とノック波形モデルとが比較される。ここで、正規化とは、たとえば、検出された振動波形における積算値の最大値で各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことである。なお、正規化の方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された振動波形がノック波形モデルに類似する度合を表わす相関係数Ｋを算出する。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとの偏差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより、相関係数Ｋが算出される。

正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、ΔＳ（Ｉ）の総和である。本実施の形態において、相関係数Ｋは、振動波形の形状がノック波形モデルの形状に近いほど、大きな値として算出される。したがって、振動波形にノッキング以外の要因による振動の波形が含まれた場合、相関係数Ｋは小さく算出される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

さらに、エンジンＥＣＵ２００は、積算値の最大値（ピーク値）に基づいて、振動の強度を表わすノック強度Ｎを算出する。積算値の最大値をＰとし、エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬは、たとえばシミュレーションや実験により予め定められ、ＲＯＭ２０２に記憶される。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

図７を参照して、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００が、ノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定して点火時期を制御するために実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥを検出するとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬを検出する。

Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度を検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表わす値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（積算値）を算出する。積算値の算出は、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動ごとに行なわれる。さらに第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値が、クランク角度に対応して加算されて、エンジン１００の振動波形が検出される。

Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形（エンジン１００の振動波形）における積算値のうち、最も大きい積算値（ピーク値Ｐ）を算出する。

Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、算出されたピーク値で、各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことをいう。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、ピーク値Ｐのクランク角とノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させて、振動波形とノック波形モデルとが類似する度合を表わす相関係数Ｋを算出する。

Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ピーク値ＰをＢＧＬで除算してノック強度Ｎを算出する。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋとノック強度Ｎとの組み合わせに基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定する。ここで、エンジンＥＣＵ２００は、図８に示すように、相関係数Ｋとノック強度Ｎとをパラメータとしたマップにしたがって、ノッキングが発生したか否かを判定する。

このマップによれば、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合およびノック強度Ｎがしきい値Ｎ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合の少なくともいずれか一方の場合、ノッキングが発生していないと判定される。この場合、ノッキングに起因した振動ではないノイズが検出されたと判定される。

また、ノッキングが発生したと判定される場合には、相関係数Ｋとノック強度Ｎとの組み合わせに応じてノッキングのレベルが判定される。相関係数Ｋが小さいほど、ノッキングのレベルが小さく判定される。ノック強度Ｎが小さいほど、ノッキングのレベルが小さく判定される。

図７に戻って、ノッキングが発生したと判定されると（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、処理はＳ１１６に移される。もしそうでないと（Ｓ１１４にてＮＯ）、処理はＳ１１８に移される。

Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングのレベルが小さいほど、遅角量が小さくなるように、点火時期を遅角する。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

エンジン１００の運転中において、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥが検出されるとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬが検出される（Ｓ１００）。また、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１０２）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動ごとに算出される（Ｓ１０４）。算出された第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの積算値がクランク角度に対応して加算され、前述した図４に示すようなエンジン１００の振動波形が検出される。

５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、強度が細かく変化することが抑制された振動波形を検出することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。

算出された積算値に基づいて、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形（エンジン１００の振動波形）における積算値のピーク値Ｐが算出される（Ｓ１０６）。

算出されたピーク値Ｐでエンジン１００の振動波形における積算値が除算されて、振動波形が正規化される（Ｓ１０８）。正規化により、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。これにより、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。

正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ（図６参照）、この状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１０）。

これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。また、振動波形とノック波形モデルとを比較することで、振動の減衰傾向など、振動の挙動からノッキング時の振動であるか否かを分析することができる。

さらに、ピーク値ＰをＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１２）。これにより、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。

これらの相関係数Ｋおよびノック強度Ｎの組み合わせに基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定される（Ｓ１１４）。ところで、振動波形とノック波形モデルとの偏差が大きい場合、すなわち、振動波形がノック波形モデルに類似しておらず、相関係数Ｋが小さい場合であっても、吸気バルブ１１６や排気バルブ１１８などの機器の作動に起因して発生する振動により、ノック強度Ｎが高くなる場合がある。また、ノック強度Ｎが低い場合であっても、波形の形状自体はノック波形モデルに類似したために高い相関係数Ｋが算出される場合がある。これらの場合は、いずれもノッキングが発生していないといえる。

そこで、本実施の形態においては、前述した図８のマップに示すように、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合およびノック強度Ｎがしきい値Ｎ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合の少なくともいずれか一方の場合、ノッキングが発生していないと判定される（Ｓ１１４にてＮＯ）。これにより、ノッキングが発生していないにもかかわらずノッキングが発生したと誤判定することを少なくすることができる。ノッキングが発生していないと判定された場合は、点火時期が進角される（Ｓ１１８）。そのため、ノッキングが発生していないにもかかわらず、誤って点火時期が遅角されることを抑制することができる。

一方、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（１）よりも大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｎ（１）よりも大きい場合において、ノッキングが発生したと判定されると（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、ノッキングのレベルが小さいほど、遅角量が小さくなるように、点火時期が遅角される（Ｓ１１６）。これにより、ノッキングのレベルに応じて、点火時期の遅角量を細かく設定することができる。そのため、ノッキングのレベルが小さい状態において、点火時期が大きく遅角されることを抑制することができる。そのため、必要以上に点火時期が遅角されることを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵによれば、振動波形がノック波形モデルに類似する度合を表わす相関係数Ｋと振動の強度を表わすノック強度Ｎとの組み合わせによりノッキングが発生したか否かが判定される。相関係数Ｋがしきい値Ｋ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合およびノック強度Ｎがしきい値Ｎ（１）よりも小さいという条件が満たされた場合の少なくともいずれか一方の場合には、ノッキングが発生していないと判定される。これにより、ノッキングが発生していないにもかかわらずノッキングが発生したと誤判定することを少なくすることができる。そのため、ノッキング時に行なうべき点火時期の遅角が誤って行なわれることを抑制することができる。その結果、点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる。ノッキングが発生したと判定された場合には、相関係数Ｋとノック強度Ｎとの組み合わせにより定めるノッキングのレベルが小さいほど、遅角量が小さくなるように、点火時期が遅角される。これにより、ノッキングのレベルに応じて、点火時期の遅角量を細かく設定することができる。そのため、ノッキングのレベルが小さい状態において、点火時期が大きく遅角されることを抑制することができる。その結果、点火時期が必要以上に遅角されることを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵにより制御されるエンジンを示す概略構成図である。ノッキング時にエンジンで発生する振動の周波数帯を示す図である。図１のエンジンＥＣＵを示す制御ブロック図である。エンジンの振動波形を示す図である。エンジンＥＣＵのＲＯＭに記憶されたノック波形モデルを示す図である。振動波形とノック波形モデルとを比較した図である。本発明の実施の形態に係る点火時期制御装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。ノッキングが発生したか否かを判定する相関係数Ｋとノック強度Ｎとの組み合わせ規定したマップである。

符号の説明

１００エンジン、１０４インジェクタ、１０６点火プラグ、１１０クランクシャフト、１１６吸気バルブ、１１８排気バルブ、１２０ポンプ、２００エンジンＥＣＵ、２０２ＲＯＭ、２０４ＳＲＡＭ、３００ノックセンサ、３０２水温センサ、３０４タイミングロータ、３０６クランクポジションセンサ、３０８スロットル開度センサ、３１４エアフローメータ、３２０補機バッテリ。

Claims

内燃機関の点火時期制御装置であって、
前記内燃機関のクランク角を検出するための第１の検出手段と、
クランク角についての予め定められた範囲における前記内燃機関の振動の波形を検出するための第２の検出手段と、
前記検出された波形が前記内燃機関の振動の波形の基準として定められた波形モデルに類似する度合を表わす第１の値を算出するための第１の算出手段と、
前記内燃機関で発生する振動の強度を表わす第２の値を算出するための第２の算出手段と、
前記第１の値が第１の条件を満たす場合および前記第２の値が第２の条件を満たす場合のうちの少なくともいずれか一方の場合はノッキングが発生していないと判定するように、前記第１の値および前記第２の値の組み合わせに基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段と、
前記内燃機関にノッキングが発生したと判定された場合、前記第１の値および前記第２の値の組み合わせに応じた量だけ点火時期を遅角するように、前記内燃機関を制御するための制御手段とを含み、
前記制御手段は、前記第１の値が小さいほど、より小さく点火時期を遅角するように、前記内燃機関を制御するための手段を含む、内燃機関の点火時期制御装置。
前記算出手段は、前記予め定められた範囲における振動の強度の最大値を、前記内燃機関の振動の強度の基準として定められた値で除算することにより、前記第２の値を算出するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
前記第１の条件は、前記第１の値が第１のしきい値よりも小さいという条件であり、
前記第２の条件は、前記第２の値が第２のしきい値よりも小さいという条件である、請求項１または２に記載の内燃機関の点火時期制御装置。
前記制御手段は、前記第２の値が小さいほど、より小さく点火時期を遅角するように、前記内燃機関を制御するための手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の点火時期制御装置。