JPH0792414B2 - 内燃機関のノッキング検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、内燃機関のノッキング検出装置に係り、詳し
くは、ノッキングの検出方法を改良し、筒内の圧力変化
波形から１サイクル毎のクランク角に対する熱発生を演
算し、例えば正常燃焼による熱発生とノッキングによる
熱発生との比を取り、この値によってノックの強度を判
定するノッキング検出装置に関する。

（従来の技術） 車両や機関の制御に電子制御技術が大々的に用いられる
ようになってからは、ノッキングに対する取り組み方も
多様になってきており、以前のようなノッキングの発生
を燃焼室の形状やガス流動などの改良・燃料のオクタン
価を高くすることなどにより低減する手法に加えて、走
行状態に応じて点火時期を人間の耳には感じない程度の
軽微なノッキングの発生する限界付近まで進めるように
制御し、燃料性状の違いや機関の要求オクタン価の経時
変化にかかわらず、その条件ごとの最良の燃費や動力性
能を得ようとする、ノッキング制御技術が量産的にも用
いられるようになってきている。近時は、このノッキン
グ制御技術を六気筒機関の気筒ごとに適用したものも出
現している。また、最近の電子制御によるオンボード・
ノッキング制御ではノッキングの検出と定量化技術が重
要となっている。

自動車用として車載可能と考えられるノッキング検出方
法は検知する物理量によって分類され、筒内圧力、エン
ジン振動、燃焼光、ノッキング音、シリンダ内イオン電
流等の各種の方法がある。

このうちの代表的な従来の内燃機関のノッキング検出装
置としては、例えば「自動車技術」1986Vol.40 NO11に
記載されたものがある。この装置では、点火プラグに筒
内圧センサを取り付け、筒内圧センサの出力に基づく燃
焼室内圧力変化波形のうちからノッキング周波数付近の
高周波成分を検出して、その振動強さを数値化し、統計
処理によりノッキングレベルを決定している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の内燃機関のノッキング
検出装置にあっては、筒内圧センサによる検出振動が取
付位置、センサ種類、センサ形式、検出気筒により影響
を受けるため、エンジンの機種毎にノック検出のロジッ
クを適合させる必要があり、工数の増加、コストの増加
を招く他、ロジックの適合が十分でない場合は検出精度
が悪化するという問題点があった。

また、従来のノッキング検出方法に用いられている筒内
圧センサは、エンジンに特殊加工を必要としない点で有
効性大であるが、燃焼圧力に加え、エンジン本体の振
動、回転による機械的振動をも含むため、センサ出力か
ら得られる高周波信号成分を利用する方法では、ノイズ
となる振動分を分離するのに困難があり、したがって、
正規のノック成分を正確に検出できず、検出精度が十分
でないという問題点があった。

例えば、高回転になると高周波の振動成分が増加し、特
に正規のノック成分を分離するのが困難になる。

（発明の目的） そこで本発明は、センサで検出した燃焼室圧力の高周波
成分をカットした圧力変化波形から１サイクル毎のクラ
ンク角に対する熱発生を演算し、例えば正常燃焼による
熱発生とノッキングによる熱発生の比をとり、この値に
よってノックの強度を判定することにより、エンジン種
類、センサ出力の固体差に拘らず、しかもロジックを変
更することなしに工数やコストの低減を図り、かつ検出
精度を向上させることを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明による内燃機関のノッキング検出装置は上記目的
達成のため、その基本概念図を第１図に示すように、燃
焼圧力若しくはこれに比例して変化する信号を出力する
圧力検出手段ａと、圧力検出手段ａへの出力から所定の
高周波成分を除去する除去手段ｂと、エンジンの運転状
態を検出する運転状態検出手段ｃと、エンジンのクラン
ク角を検出するクランク角検手段ｄと、圧力検出手段ａ
で検出した燃焼圧力の高周波成分を除去した圧力変化波
形およびエンジンの運転状態に基づいて所定の演算処理
開始タイミングから１サイクル中のクランク角に対する
全熱発生を演算する全熱演算手段ｅと、前記全熱演算手
段ｅが行う熱発生演算処理の開始タイミングをそのサイ
クルの点火タイミングより遅い所定時期に設定する開始
タイミング設定手段ｆと、１サイクル中におけるノッキ
ングによる熱発生の開始点を特定する開始点特定手段ｇ
と、１サイクルにおけるノッキングによる熱発生を演算
するノック熱演算手段ｈと、１サイクル中の正常燃焼に
よる熱発生又は全熱発生のうち１つ以上のものとノッキ
ングによる熱発生との比を演算し、この比に基づいてノ
ッキングの強度を判定するノック強度判定手段ｉと、を
備えている。

（作用） 本発明では、圧力検出手段により検出した燃焼室圧力の
高周波成分をカットした圧力変化波形から１サイクル毎
のクランク角に対する熱発生が演算される。この場合、
熱発生の演算処理は少なくともそのサイクルの点火タイ
ミングより遅いタイミングから開始される。その後、正
常燃焼による熱発生（又は全熱発生でもよい）とノッキ
ングによる熱発生との比が求められ、この比に基づいて
ノック強度が判定される。

したがって、従来のように振動強さを数値化するのと異
なり、クランク角に対する熱発生の変化に基づいている
から、エンジン機種、センサ出力の固体差に拘らず、し
かもロジックの変更を要せずに精度よくノッキングを検
出することが可能になる。

また、熱発生の演算に際して点火信号２次電圧（高圧パ
ルス）によるセンサへのノイズの悪影響が避けられ、演
算精度が向上するとともに、ノイズのマスキング等が不
要になり、負担が軽減し、処理スピードも向上する。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜11図は本発明に係る内燃機関のノッキング検出装
置の一実施例を示す図であり、本発明を燃焼制御装置に
適用した例を示す図である。

まず、構成を説明する。第２図は燃焼制御装置の全体構
成図であり、この図において、１はエンジンであり、吸
入空気はエアクリーナ２から吸気管３を通して各気筒に
供給され、燃料は噴射信号Siに基づきインジェクタ４に
より噴射される。気筒内の混合気は点火信号Spの２次電
圧に基づく点火プラグ５の放電作用によって爆発、燃焼
し、排気になって排気管６から排出される。

エンジ１に吸入される空気流量Qaはエアフローメータ７
により検出され、吸気管３内の絞弁８によって制御され
る。また、吸気管３内の吸入負圧（ブースト）は吸気圧
センサ９により検出され、エンジン１のクランク角はク
ランク角センサ（クランク角検出手段）10により検出さ
れる。なお、クランク角センサ10の出力パルスを計数す
ることにより、エンジン回転数Ｎが算出される。

排気中の酸素濃度は排気管６に設けられた酸素センサ11
により検出され、ウォータージャケットを流れる冷却水
の温度は水温センサ12により検出される。さらに、各気
筒の燃焼圧力（筒内圧）は筒内圧センサ（圧力検出手
段）13により検出され、筒内圧センサ13は点火プラグ５
の座金として締付、固定されている。なお、燃焼圧力に
比例して変化する信号を発生するものであれば、筒内圧
センサ13に限らず、例えば点火プラグ５の本体に感圧素
子を内蔵したようなものでもよい。

上記エアフローメータ７、吸気圧センサ９、クランク角
センサ10、酸素センサ11および水温センサ12は運転状態
検出手段14を構成しており、運転状態検出手段14および
筒内圧センサ13からの出力はコントロールユニット20に
入力される。コントロールユニット20はマイクロコンピ
ュータや電子回路によって構成され、ノッキングの検出
や該検出結果に基づくノック抑制制御およびその他の燃
焼制御（点火時期制御を含む）に必要な処理値を演算
し、前記噴射信号Siや点火信号Spを出力する。

ここで、コントロールユニット20の機能のうち特にノッ
キング検出および点火時期制御に関連する部分の構成は
第３図のように示される。第３図において、筒内圧セン
サ13の出力信号は高周波カットフィルタ21に入力されて
所定の高周波成分が除去された後、A/D変換器22によっ
てA/D変換されノック強度演算回路23に入力される。高
周波成分をカットするのはノッキングの検出に際してノ
イズ成分を有効に除去するためであり、高周波成分をカ
ットするためのカットオフ周波数は第４図に示すように
エンジン回転数Ｎに比例して変化させる。具体的には、
運転状態検出手段14の出力のうちから特にクランク角セ
ンサ10の出力に基づいてエンジン回転数Ｎを算出し、こ
の算出結果によりフィルタ選定回路24が第４図の特性か
ら最適なカットオフ周波数を選定して高周波カットフィ
ルタ21にその旨を出力し、高周波カットフルタ21はこの
選定された周波数帯の高周波成分をカットする。

なお、高周波カットフィルタ21としては例えばアナログ
フィルタが用いられる。このフィルタは抵抗成分が周波
数依存性を持つ素子の組合わせで、入力信号の減衰化に
周波数依存を持たせることにより、任意の周波数域を透
過又は遮断するものであり、フィルタの種類としては、
ベッセルフィルタやバタワースフィルタがある。上記高
周波カットフィルタ21およびフィルタ選定回路24は除去
手段25を構成する。

なお、高周波カットフィルタ21はアナログフィルタに限
らず、その他のものとして、例えばフーリエ変換を利用
したフィルタを用いてもよい。このフィルタは入力信号
を各項が各周波数に対応する多項式であるフーリエ級数
に展開し、この項のうち、遮断しようとする周波数域に
相当する項を削除した多項式を算出し、さらにこの式か
ら再び信号を構成することにより、任意の周波数域を透
過又は遮断するフィルタである。

ノック強度演算回路23には運転状態検出手段14からの出
力信号も入力されており、ノック強度演算回路23は熱発
生演算部（全熱演算手段に相当）26、ノッキング熱発生
開始点検出部（開始点特定手段に相当）27、ノック部熱
発生演算部（ノック熱演算手段に相当）28およびノック
強度演算部（ノック強度判定手段に相当）29により構成
される。一方、運転状態検出手段14の出力信号はさらに
点火時期制御回路30に入力されており、点火時期制御回
路30はエンジン負荷およびエンジン回転数Ｎに基づいて
点火時期Advを設定して点火信号Spを出力し、この点火
信号Spに基づいて点火ユニット（図示略）が点火信号２
次電圧（電圧パルス）を発生させて点火プラグ５を放電
させる。点火時期制御回路30により設定された点火時期
は開始タイミング設定回路31（開始タイミング設定手段
に相当）に入力され、開始タイミング設定回路31は点火
時期Advにディレークランク角Tdを加えたタイミングを
熱発生演算処理の開始タイミングとして設定し熱発生演
算部26に出力する。

熱発生演算部26は筒内圧センサ13で検出した燃焼圧力の
高周波成分を除去した圧力変化波形からエンジン１の運
転状態に基づいて１サイクル中のクランク角に対する全
熱発生を演算するとともに、この演算処理を開始タイミ
ング設定回路31により設定された開始タイミングから開
始する。ノッキング熱発生開始点検出部27は１サイクル
中におけるノッキングによる熱発生の開始点を特定す
る。また、ノック部熱発生演算部28は１サイクル中にお
けるノッキングによる熱発生を演算し、ノック強度演算
部29は１サイクル中の全熱発生とノックングによる熱発
生との比を演算し、この比に基づいてノッキングの強度
を判定し、判定結果をノック強度信号出力回路32に出力
する。ノック強度信号出力回路32は該判定結果に対応す
るノック強度信号を発生して点火時期制御回路30に出力
し、ノック抑制制御の情報に用いられる。また、ノッキ
ング制御のみならず、例えばノックを検出するためのデ
ータとしてノック強度入力計への入力データとして用い
られることもある。

次に、作用を説明する。

エンジン１が運転を開始すると、各気筒の燃焼室内の燃
焼圧力が変化し、１サイクル毎に燃焼圧力のピークが現
れる。この場合の熱発生の演算は第５図に示すように高
周波成分を除去した燃焼圧力信号の値がノック検出状態
における燃料基本噴射量Tp若しくは吸入負圧（ブース
ト）や吸入空気量の関数として計算される値Po、 Po＝func（Tp or Boost） を超えた点であって、かつ後述の開始タイミングを超え
た時点から開始される。

熱発生量の計算は、後述のステップS₇で実行されるが、
説明の都合上これを先に述べると、具体的には次のよう
にして行われる。いま、第６図に示すようにシリンダ33
についてストロークボリウムをVST、燃焼室ボリウムをV
C、コンロッドの長さをCL、半径をｒとすると、圧縮比r
cは で表され、これから第７図に示すようにあるクランク角
θにおける総合のボリウムＶ（θ）は なる式で表される。また、第７図に示すように圧縮行程
中の燃焼圧力波形からTDC前60°と44°に相当する燃焼
圧力P₁，P₂とその点のボリウムV₁，V₂とからポリトロー
プ指数PNを として計算する。さらに、実際上は単位クランク角毎の
燃焼圧力Ｐ（Ｉ）とボリウムＶ（Ｉ）が順次演算されて
全熱発生量が求められるが、各単位クランク角毎の演算
は、例えば第８図（ａ）に示すようにＰ（Ｉ）、Ｖ
（Ｉ）に対し、次のクランク角ではＰ（Ｉ＋１）、Ｖ
（Ｉ＋１）として計算され、このような圧力変化の内訳
には第８図（ｂ）に示すようにタイミングt₁（Ｉに相
当）とタイミングt₂（Ｉ＋１に相当）との燃焼による圧
力増加とピストン運動による圧力増加の両方が含まれて
いる。そして、熱発生量の演算に必要な１つの係数F_Kを 但し、Cv:定積比熱 R:気体定数 とし、圧縮開始点のストロークボリウムを Ｖ（１）＝VST とすると、全熱発生量Q_Aは なる式により求められる。

次に、ノッキングによる熱発生部分の演算を行うが、ノ
ッキングによる熱発生部は第９図にハッチングで示すよ
うな部分となる。この場合、ノッキングによる熱発生部
の開始点としてクランク角に対する熱発生変化の変曲点
で熱発生開始点と終了点の中点、又は圧縮上死点（若し
くは点火時期）より遅れた変曲点をノックによる熱発生
開始点として用いる。このような方法でノック開始点を
決めることにより、実際の燃焼状態にマッチして精度良
く開始点の特定が行われる。一方、ノッキングによる熱
発生の終点としてクランク角に対する熱発生が０となる
点を用いる。そして、ノッキングによる熱発生量Q_Bは、
ノック開始点と終了点を直線で結び、この直線を超える
熱発生部分（ハッチング部分）として求める。

このようにして各熱発生量Q_A，Q_Bが演算されると、次い
でノック強度演算部29で全熱発生Q_Aとノッキングによる
熱発生Q_Bとの比Ｓを なる式から求め、この比Ｓに基づいてノック強度を判定
する。

次に、本発明の特徴である熱発生演算処理の開始タイミ
ングを含んだノック判定処理のプログラムにつき第10図
のフローチャートを参照して説明する。同図に示すプロ
グラムはクランク角の基準信号（Ref信号）に同期して
実行される。

まず、ステップS₁でエンジン負荷（吸入空気量又はブー
スト）およびエンジン回転数Ｎに基づいて点火時期Adv
を演算し、ステップS₂でディレークランク角Tdを演算す
る。Tdは第11図に示すように点火時期Advから少し遅れ
たタイミングを熱発生の演算処理開始タイミングθ₁と
するために着火遅れを予想した遅れ時間であり、 Td＝func（Tp,N） なる関数式により設定する。なお、Tdはクランク角でも
よいし、時間で設定してもよい。次いで、ステップS₃で
熱発生の演算処理開始タイミングθ₁を、 θ₁＝Adv＋Td なる式で設定し、ステップS₄で今回のクランク角θを読
み込む。ステップS₅，S₆では今回のクランク角θをθ₁
およびθ₂とそれぞれ比較する。θ₂は熱発生の演算処理
の終了タイミングである（第１図参照）。θ₁≦θ≦θ₂
のときはステップS₇に進み、そうでないときはひとまず
ルーチンを終了する。ステップS₇では前述したような方
法で熱発生を演算し、ステップS₈で前記比Ｓからノック
強度を判定し、さらにステップS₉でこれに相当するノッ
ク強度信号を出力してルーチンを終了する。

このように、本実施例では従来のように振動強さを数値
化したノッキングを検出するのとは異なり、あくまでも
クランク角に対する熱発生の変化に基づいているから、
エンジン機能、筒内圧センサ13の取付位置、センサ出力
の固体差等に拘らず、しかも検出ロジックの変更を要せ
ずに精度良くノッキングを検出することができる。ま
た、振動成分を検出対象としていないことから、振動に
基づくノイズ成分の影響を受けず、従来に比して格段と
ノッキングの検出精度を向上させることができる。特
に、高回転域で高周波の振動成分が増加しても正規のノ
ック成分を熱発生の分析によって分離でき、検出精度が
向上する。その結果、ノッキング検出の工数の低下、コ
ストの低下を図ることができる。

また、熱発生の演算に際して点火信号２次電圧による筒
内圧センサ13へのノイズの悪影響を避けるために少なく
とも点火時期Advの後に、しかもディレークランク角Td
を考慮して該演算を開始しているので、ノイズの影響を
除去して格段と演算精度を高めてノッキングの検出精度
を向上させることができる。さらに、これによりノイズ
のマスキング等の処理が不要になり、その分だけ負担が
軽減し、しかも処理スピードも向上させることができ
る。

なお、上記実施例では比Ｓを全熱発生Q_Aを分母とてして
演算しているが、これに限るものでなく、例えば正常燃
焼による熱発生（Q_A−Q_B）を演算し、これを分母として なる式から比Ｓを求めるようにしてもよい。

（効果） 本発明によれば、エンジン機種、センサの取付位置、セ
ンサ出力の固体差等に拘らず、しかも検出ロジックの変
更を要せずに精度良くノッキングを検出することがで
き、ノッキング検出の工数およびコストを低下させるこ
とができる。

また、点火ノイズの悪影響を避けて熱発生の演算精度を
高めることができ、ノッキング検出精度を格段と向上さ
せるとことができる。さらに、ノイズのマスキング等の
処理を不要として、その分だけ負担の軽減および処理ス
ピードの向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜11図は本発明に係
る内燃機関のノッキング検出装置の第一実施例を示す図
であり、第２図はその全体構成図、第３図はその主要部
のブロック構成図、第４図はそのカットオフ周波数の特
性を示す図、第５図はその熱発生演算の開始点を説明す
る図、第６図はその圧縮比の算出を説明する模式図、第
７図はその燃焼圧力波形の一部を示す図、第８図（ａ）
（ｂ）はその燃焼圧力増加を説明すする図、第９図はそ
の熱発生の演算を説明する図、第10図はそのノック強度
判定プログラムを示すフローチャート、第11図はその燃
焼圧力波形と演算処理区間の関係を示す図である。 １……エンジン、４……インジェクタク、５……点火プ
ラグ、７……エアフローメータ、９……吸気圧センサ、
10……クランク角センサ、13……筒内圧センサ、14……
運転状態検出手段、20……コントロールユニット、21…
…高周波カットフィルタ、22……A/D変換器、24……フ
ィルタ選定回路、25……除去手段、26……熱発生演算部
（全熱演算手段）、27……ノッキング熱発生開始点検出
部（開始点特定手段）、28……ノック部熱発生演算部
（ノック熱演算手段）、29……ノック強度演算部（ノッ
ク強度判定手段）、30……点火時期制御回路、31……開
始タイミング設定回路（開始タイミング設定手段）、32
……ノック強度信号出力回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）燃焼圧力若しくはこれに比例して変化
   する信号を出力する圧力検出手段と、 ｂ）圧力検出手段の出力から所定の高周波成分を除去す
   る除去手段と、 ｃ）エンジンの運転状態を検出する運転状検出手段と、 ｄ）エンジンのクランク角を検出するクランク角検出手
   段と、 ｅ）圧力検出手段で検出した燃焼圧力の高周波成分を除
   去した圧力変化波形およびエンジンの運転状態に基づい
   て所定の演算処理開始タイミングから１サイクル中のク
   ランク角に対する全熱発生を演算する全熱演算手段と、 ｆ）前記全熱演算手段が行う熱発生演算処理の開始タイ
   ミングをそのサイクルの点火タイミングより遅い所定時
   期に設定する開始タイミング設定手段と、 ｇ）１サイクル中におけるノッキングによる熱発生の開
   始点を特定する開始点特定手段と、 ｈ）１サイクルにおけるノッキングによる熱発生を演算
   するノック熱演算手段と、 ｉ）１サイクル中の正常燃焼による熱発生又は全熱発生
   のうち１つ以上のものとノッキングによる熱発生との比
   を演算し、この比に基づいてノッキングの強度を判定す
   るノック強度判定手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関のノッキング検出装
   置。