JP5508834B2 - 内燃機関のノック判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のノック判定装置に関する。

内燃機関のノック判定装置は、シリンダブロックの振動を検出するノックセンサを取り付け、ノックセンサで検出した振動波形のピーク位置やピーク強度に基づいてノッキングの有無を判定するものが一般的である。

しかし、内燃機関では、燃料噴射弁の着座時に発生するノイズや可変動弁装置の駆動ノイズ等、種々のノイズが発生しているため、ノッキングとノイズとを判別してノッキングを精度よく検知することが難しい。

そこで、特許文献１では、ノッキング発生時にピーク位置となる周波数帯の中から燃料噴射弁の駆動ノイズ等が発生する周波数帯を除いた周波数帯を特定し、この特定周波数帯のピーク強度に基づいてノッキングの有無を判定している。これにより、燃料噴射弁の着座時に発生するノイズ等をノッキングと誤って検出することを防止している。

特開２００８−９５６０２号公報

しかしながら、特許文献１のように特定周波数帯に限定してノッキングの有無を判定する場合には、特定周波数帯以外の周波数帯にピーク位置をもつノッキングが発生したときに、これを検出することができない。すなわち、周波数帯を限定しない場合に比べて、ノッキングの検出性能が劣るという問題がある。

そこで、本発明では、より広い周波数帯でノッキングの有無を判定し、かつ燃料噴射弁の着座ノイズ等をノッキングと誤判定することがないノック判定装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関のノック判定装置は、内燃機関の振動を検出するセンサと、センサの検出信号からノッキング発生時に振動強度のピーク位置となる複数の周波数領域の振動成分を抽出する抽出手段と、ノッキング以外の要因による振動であるバックグラウンドノイズを算出するバックグラウンドノイズ算出手段と、を備える。さらに、抽出した複数の周波数領域からバックグラウンドノイズの振動強度に基づいて決定した周波数領域を除いた残りの周波数領域である特定周波数領域の振動強度に基づいてノッキングの有無を判定するノック判定手段を備える。そして、ノック判定手段は燃料噴射弁又は可変動弁装置の駆動ノイズが有る場合とない場合で差が無い程度にバックグラウンドノイズが大きくなる運転領域では、前記燃料噴射弁又は前記可変動弁装置の固有周波数を、前記特定周波数領域に含めてノッキングの有無を判定し、その他の運転領域では、燃料噴射弁又は可変動弁装置の固有周波数を前記特定周波数領域に含めずにノッキングの有無を判定する。

本発明によれば、特定周波数領域を必要以上に狭めることがないので、ノッキングが発生しているにもかかわらず発生していないと誤判定する可能性を低減するので、高精度でノッキングを検出することができる。

本実施形態の内燃機関の構成図である。 ノック判定制御の内容を示すブロック図である。 ノック判定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 ノック発生時の振動モードを示す図である。 燃料噴射弁の駆動ノイズの有無によるバックグラウンドノイズの違いについての一例を示す図である。 燃料噴射弁の駆動ノイズの有無によるバックグラウンドノイズの違いについての他の例を示す図である。 燃料噴射弁の駆動ノイズの固有周波数を除去するか否かを判定するためのマップである。 ノック判定用閾値を算出するためのマップである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態を適用する内燃機関の概略構成図である。

内燃機関１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気通路３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気通路４０とが形成される。

吸気通路３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気通路３０を開閉する。また、吸気通路３０にはスロットルバルブ３５が設けられる。スロットルバルブ３５は、後述するコントローラ５５からの信号に基づいて開閉し、吸気通路３０の流路断面積を調整する。

排気通路４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気通路４０を開閉する。

上記した吸気通路３０と排気通路４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、燃焼室１３に臨むように燃料噴射弁３４及び点火プラグ５１が設置されている。

点火プラグ５１の点火タイミングは、点火制御装置５０がコントローラ５５からの信号に基づいて制御する。

コントローラ５５はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ５５には、機関回転速度、機関負荷など、機関運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。機関回転速度はクランク角センサ７１により検出する。機関負荷はスロットル開度に基づいて算出し、スロットル開度はスロットルポジションセンサ７２により検出する。コントローラ５５は、これら各種センサの出力に基づいて燃料噴射タイミング、点火タイミング等を決定する。

また、コントローラ５５には、シリンダブロック１０の振動を検出できるように配置したノックセンサ７３の検出信号が入力される。コントローラ５５はノックセンサ７３の検出信号に基づいてノッキングの有無を判定する。

次に、コントローラ５５が実行するノッキングの有無の判定（ノック判定）について説明する。

図２は、コントローラ５５が実行するノック判定制御を説明するためのブロック図である。コントローラ５５は、この制御を一定周期（例えば１０ミリ秒）で繰り返し実行する。

なお、この図に示す各ブロックはコントローラ５５の機能を仮想的なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

振動検出部Ｂ２０１は、気筒振動を検出したノックセンサ７３の検出信号を読み込む。増幅部Ｂ２０２は、読み込んだ検出信号を増幅する。ＡＤＣ変換部Ｂ２０３は、増幅した信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。ＦＦＴ処理部Ｂ２０４は、高速フーリエ変換を用いて、ＡＤＣ変換部Ｂ２０３で変換したデジタル信号を周波数成分に変換する（ＦＦＴ処理）。

強度演算部Ｂ２０５は、ＦＦＴ処理後の信号を、気筒別、周波数別に出力する。バックグラウンドノイズ演算部Ｂ２０６は、燃料噴射弁３４を駆動した際の着座時に発生するノイズ（燃料噴射弁３４の駆動ノイズ）や、内燃機関１００自体の機械的な作動に起因するノイズ等といったバックグラウンドノイズを演算する。

Ｓ−Ｎ差分演算部Ｂ２０７は、気筒別、周波数別に強度演算部Ｂ２０５で算出した周波数成分とバックグラウンドノイズ演算部Ｂ２０６で算出したバックグラウンドノイズの加重平均値の差分（Ｓ−Ｎ差分）を演算する。

ノック判定用周波数演算部Ｂ２０８は、後述するノック判定に使用する周波数域を選択する。

気筒別ノック判定用強度指数演算部Ｂ２０９は、ノック判定用周波数演算部Ｂ２０８で選択した周波数域におけるＳ−Ｎ差分を積算して強度指数を演算する。

ノック判定用閾値演算部Ｂ２１０は、ノック判定に使用する閾値を演算する。

ノック判定部Ｂ２１１は、気筒別ノック判定用強度指数演算部Ｂ２０９で演算した強度指数と、ノック判定用閾値演算部Ｂ２１０で演算した閾値とを比較してノックの有無を判定する。

図３は上記ノック判定制御の具体的内容を示すフローチャートである。

ステップＳ１０では、現在の運転状態がノッキングの発生し得る運転領域（ノック制御領域）内にいるか否かを判定する。ここでは、水温センサ７４の検出値に基づいて、例えばエンジン冷却水温が６０度以上の場合にはノック制御領域内にいると判定する。

ノック制御領域内にいる場合はステップＳ２０へ進む。ノック制御領域内にいない場合は、ノッキングを検出する必要がないので、そのまま処理を終了する。

ステップＳ２０では、現在のクランク角がノック検出区間内であるか否かを判定する。ノック検出区間内である場合はステップＳ３０へ進み、そうでない場合は処理を終了する。

ここでいうノック検出区間とは、ノックセンサ７３により筒内の振動を検知する区間のことである。通常、ノッキング発生により筒内が振動するのは圧縮上死点からクランク角６０度ＡＴＤＣ付近までなので、この範囲で筒内が振動しているかを検知すればよい。逆に、その他のタイミングでも筒内の振動を検知すると、ノッキング以外の要因による振動をノッキングであると誤って判定する原因になりかねない。そこで、クランク角０度ＡＴＤＣ〜６０度ＡＴＤＣをノック検出区間とし、この区間内にいる場合に限って筒内の振動を検知する。

なお、ステップＳ２０以降の処理は、気筒毎に行う。

ステップＳ３０では、ノックセンサ７３の検出信号をサンプリングする。より詳細には、ノックセンサ７３の検出信号を増幅部Ｂ２０２で増幅し、さらにＡＤＣ変換部Ｂ２０３を通してデジタル信号としてサンプリングする。

ステップＳ４０では、サンプリングした信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって周波数成分に変換して出力する（Ｂ２０４、Ｂ２０５）。

ステップＳ５０では、ステップＳ４０で算出した周波数成分と、周波数毎に算出されたバックグラウンドノイズの差分を算出する（Ｂ２０７）。バックグラウンドノイズは後述するステップＳ６０で随時更新されており、ここでは前回更新したバックグラウンドノイズを使用する。なお、初回演算時には、周波数成分からバックグラウンドノイズを減算した結果をゼロとする。

ステップＳ６０では、ステップＳ４０で算出した周波数成分とバックグラウンドノイズの前回更新値との加重平均値を算出し、新しいバックグラウンドノイズとする（Ｂ２０６）。

ステップＳ７０では、ノッキングによる振動のピークが発現する周波数（ノック固有周波数）を計算する。ノッキング発生時には、筒内は図４に示すモードのいずれか一つ、またはいくつかのモードの組み合わせで振動するので、ドレーパの理論式（１）用いて各モードのノック固有周波数を計算する。

ｆ＝Ｕ’ｎｍ・Ｃ／πＢ ・・・（１）
ただし、ｆ：ノック固有周波数、Ｂ：シリンダボア、Ｃ：音速、Ｕ’ｎｍ：固有値、ｎ：径方向次数、ｍ：周方向次数とする。

ステップＳ８０では、バックグラウンドノイズに含まれる燃料噴射弁３４の駆動ノイズの固有周波数を算出する。この数値は、予め実験により計測してコントローラ５５に記憶しておいたものを、計算時に読み込む。

ステップＳ９０では、現在、燃料噴射弁３４の駆動ノイズを除去する必要がない領域であるか否かを判定する。判定方法については後述する。

除去する必要が無い領域の場合はステップＳ１００へ進み、ノック固有周波数すべての信号レベルを使用してノック強度指数を算出する。ノック強度指数は、ステップＳ５０で算出した差分の平均値である。

一方、除去する必要がある領域の場合はステップＳ１１０へ進み、ノック固有周波数から燃料噴射弁３４の固有周波数を除外した周波数（特定周波数）について、ステップＳ５０で算出した差分の平均値をノック強度指数として算出する。

ここで、ステップＳ９０〜Ｓ１１０の処理について、詳細に説明する。

燃料噴射弁３４の開閉タイミングがノック検出期間に入っていると、ノック固有周波数に近い周波数で燃料噴射弁３４の駆動ノイズが発生するので、駆動ノイズをノッキングによる振動であると誤検出するおそれがある。すなわち、バックグラウンドノイズのうち、主に燃料噴射弁３４の駆動ノイズが誤検出の要因となる。このような誤検出は、バックグラウンドノイズ、つまり燃料噴射弁３４の固有周波数に近いノック固有周波数を判定の対象から除外すれば防止できる。しかし、判定の対象とする周波数が減ることで、実際にはノッキングが発生していても発生していないと判定するおそれがあり、ノック検出性は低下してしまう。

また、５つあるノック固有周波数のうち、実際にノッキングが発生した場合にどの周波数で振動するかはランダムに決まるため、燃料噴射弁３４の固有周波数に近いノック固有周波数を判定の対象から除外してしまうと、燃料噴射弁３４の周波数と近い周波数のモードでのみ振動した場合は、ノッキング発生を検知できなくなる。

そこで、まず燃料噴射弁３４の固有周波数を除外する必要があるか否かを判断する。そもそも、「ノッキング発生」の定義は、ノック音が聞こえること、つまりバックグラウンドノイズ以上にノックセンサ７３の信号レベルが大きい状態ということである。

したがって、燃料噴射弁３４の駆動ノイズが有る場合と無い場合でバックグラウンドノイズに差が無い領域では、燃料噴射弁３４の固有周波数を除外しなくても燃料噴射弁３４の駆動ノイズをノッキングと誤検出することがない。なお、燃料噴射弁３４の駆動ノイズが一部の周波数領域でのみバックグラウンドノイズより大きい場合には、その周波数領域のみを除外すれば、同様に誤検出を防止できる。

そこで、このような領域を「除外する必要がない領域」とする。燃料噴射弁３４の駆動ノイズが有る場合と無い場合でバックグラウンドノイズに差が無くなるのは、内燃機関１００自体の機械的な作動等に起因するノイズが、燃料噴射弁３４の駆動ノイズを掻き消す程度に大きい運転領域、つまりバックグラウンドノイズが大きい運転領域であり、例えば、高回転、高負荷領域があげられる。

なお、ここでいう「差が無い」とは、信号レベルが同一である場合に限られない。どの程度の差までを「差が無い」と扱うかはノック検出性との兼ね合いで任意に設定し得るが、例えば、燃料噴射弁３４の駆動ノイズが有る場合の信号レベルが、無い場合の信号レベルの４倍程度までなら、「差が無い」と扱ってもノック検出性に問題はない。

一方、燃料噴射弁３４の駆動ノイズが有る場合のバックグラウンドノイズが、無い場合のバックグラウンドノイズに比べて突出して大きくなる領域では、燃料噴射弁３４の駆動ノイズをノッキングによる振動であると誤判定するおそれがある。したがって、燃料噴射弁３４の固有周波数を除外する必要がある。このような領域を「除外する必要がある領域」とする。

除外する必要がある領域か、除外する必要がない領域かの具体的な判断は、次のように行う。内燃機関１００の回転速度、負荷毎に、ノッキング無の状態において、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ無しの場合のバックグラウンドノイズと、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ有りの場合のバックグラウンドノイズとを比較する。両者に差がない場合には、その回転速度、負荷を除外する必要がない領域、差が有る場合には除外する必要が有る領域、と判断する。

例えば、機関回転速度が２０００ｒｐｍで全負荷状態（ＷＯＴ：Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）の信号レベルを図５に示す。図中の実線はノッキング無し、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ無しの場合のバックグラウンドノイズの信号レベルを、破線はノッキング無し、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ有りの場合のバックグラウンドノイズの信号レベルを、一点鎖線はノッキング有り、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ有りの場合の信号レベルを示している。ここでは、特に周波数Ｈ１付近において、燃料噴射弁３４の駆動ノイズ有りの場合の信号レベルが、駆動ノイズ無しの場合に比べて大きくなっている。そして周波数Ｈ１付近には、ノッキングによるピークがある。このため、周波数Ｈ１付近の燃料噴射弁３４の駆動ノイズのピークを、ノッキングによるものと誤判定するおそれがある。したがって、当該運転領域は「除去する必要が有る領域」とする。

また、機関回転速度４０００ｒｐｍ、全負荷状態の信号レベルについて図５と同様に図６に示す。この領域では、ノッキングによるピークがある周波数Ｈ２〜Ｈ５付近において、燃料噴射弁３４の駆動ノイズの有無による信号レベルの差が無い。したがって、当該運転領域は「除去する必要が無い領域」とする。

なお、燃料噴射弁３４の駆動ノイズの有無による信号レベルの差が無いのは、内燃機関１００の機械的作動に起因するノイズ等が燃料噴射弁３４の駆動ノイズを掻き消す程度に大きい場合である。したがって、単純にバックグラウンドノイズの大きさを判断基準とし、バックグラウンドノイズが予め設定した大きさを超えた場合には「除去する必要が無い領域」であると判断してもよい。

このような判断を、各気筒について予め機関回転速度、負荷毎に行うことで、図７に示すような機関回転速度、負荷毎に除外するか除外しないかを設定したマップを作成し、コントローラ５５に記憶しておく。なお、図７の縦軸は充填効率、横軸は機関回転速度であり、高回転域及び高負荷域は「除外する必要がない領域」、それ以外は「除外する必要が有る領域」となっている。

そして、演算時には、ステップＳ９０において機関回転速度、負荷でマップを参照して、ステップＳ１００またはステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１００またはステップＳ１１０でノック強度指数を算出したら、ステップＳ１２０でノック判定に用いるノック強度指数の閾値を算出する。閾値は、ノッキングが発生していない状態で計測したノック強度指数の標準偏差の、５倍〜１０倍程度の値とする。具体的には、機関回転速度、負荷毎に予め算出して図８に示すようなマップを作成し、これをコントローラ５５に記憶しておいて、演算時に機関回転速度、負荷で参照する。

閾値を算出したらステップＳ１３０に進み、ノック強度指数が閾値より大きいか否かを判定する。ノック強度指数の方が大きい場合はステップＳ１４０でノッキングが発生したと判定する。ノック強度指数が閾値より小さい場合は処理を終了する。

なお、上記説明では、筒内直噴式内燃機関に適用する場合について説明したが、吸気通路３０内に燃料を噴射するいわゆるポート噴射式の内燃機関にも適用することが可能である。筒内直噴式内燃機関を挙げて説明したのは、燃料噴射弁の駆動ノイズの影響がより大きいためである。

また、上記説明では、燃料噴射弁の駆動ノイズを除去する場合について説明したが、他のノイズ、例えば可変動弁装置の駆動ノイズの除去にも適用することが可能である。

以上により本実施形態では次のような効果が得られる。

（１）コントローラ５５は、バックグラウンドノイズが大きくなるほど特定周波数領域を多くしてノッキングの有無を判定するので、特定周波数領域を必要以上に狭めることがない。その結果、ノッキングが発生しているにもかかわらず発生していないと誤判定する可能性を低減するので、高精度でノッキングを検出することができる。

（２）コントローラ５５は、特定周波数領域を最も多い場合で抽出手段により抽出したすべての周波数領域まで増やすので、ノック検出性能の向上を図ることができる。

（３）コントローラ５５は、内燃機関１００の回転速度及び負荷に基づいてバックグラウンドノイズの大きさを算出して特定周波数領域を決定するので、内燃機関１００の運転条件毎に正確なバックグラウンドノイズに基づいて特定周波数領域を決定することができる。また、回転速度及び負荷毎のバックグラウンドノイズは事前に測定しておくことが可能なので、運転領域毎にバックグラウンドノイズを除去するか否かを決定しておくことができ、より簡単な演算で適切な特定周波数領域を設定することができる。

（４）コントローラ５５は、燃料噴射弁３４の駆動ノイズの有無によるバックグラウンドノイズの振動強度に差がある運転領域で、抽出した複数の周波数領域からバックグラウンドノイズの振動強度に基づいて決定した周波数領域を取り除く。したがって、特定周波数領域を必要以上に狭めることがなく、高精度でノッキングを検出することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 燃焼室
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気通路
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３４ 燃料噴射弁
３５ スロットルバルブ
４０ 排気通路
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５１ 点火プラグ
５５ コントローラ（抽出手段、バックグラウンドノイズ算出手段、ノック判定手段）
７１ クランク角センサ
７２ スロットルポジションセンサ
７３ ノックセンサ
７４ 水温センサ
１００ 内燃機関

Claims (4)

1. 内燃機関の振動を検出するセンサと、
   前記センサの検出信号からノッキング発生時に振動強度のピーク位置となる複数の周波数領域の振動成分を抽出する抽出手段と、
   ノッキング以外の要因による振動であるバックグラウンドノイズを算出するバックグラウンドノイズ算出手段と、
   抽出した複数の周波数領域から前記バックグラウンドノイズの振動強度に基づいて決定した周波数領域を除いた残りの周波数領域である特定周波数領域の振動強度に基づいてノッキングの有無を判定するノック判定手段と、
   を備える内燃機関のノック判定装置において、
   前記ノック判定手段は、燃料噴射弁又は可変動弁装置の駆動ノイズが有る場合とない場合で差が無い程度にバックグラウンドノイズが大きくなる運転領域では、前記燃料噴射弁又は前記可変動弁装置の固有周波数を、前記特定周波数領域に含めてノッキングの有無を判定し、その他の運転領域では、燃料噴射弁又は可変動弁装置の固有周波数を前記特定周波数領域に含めずにノッキングの有無を判定することを特徴とする内燃機関のノック判定装置。
2. 前記ノック判定手段は、前記特定周波数領域を最も多い場合で前記抽出手段により抽出したすべての周波数領域まで増やすことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック判定装置。
3. 前記バックグラウンドノイズ算出手段は、前記バックグラウンドノイズの振動強度に基づいて決定した周波数領域を除去するか否かを前記内燃機関の回転速度及び負荷に基づいて決定して、前記特定周波数領域を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のノック判定装置。
4. 前記ノック判定手段は、燃料噴射弁の駆動ノイズの有無による前記バックグラウンドノイズの振動強度に差がある運転領域で、前記抽出した複数の周波数領域から前記バックグラウンドノイズの振動強度に基づいて決定した周波数領域を取り除くことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック判定装置。

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