JP2004138032A

JP2004138032A - 内燃機関のノック制御装置

Info

Publication number: JP2004138032A
Application number: JP2002305889A
Authority: JP
Inventors: Toshio Uchida; 内田　稔雄; Kimihiko Tanaya; 棚谷　公彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: DE10318588B4; DE10318588A1; US6748922B2; US20040074476A1; JP3659589B2

Abstract

【課題】環境、エンジン回転数、負荷等によるイオン電流レベル変動を考慮しノック周波数強度、バックグランドノイズレベルを全運転条件でほぼ同レベルに正規化し、全運転条件で同等のノック制御性を持ちまた運転条件による種々の補正を不要にしたノック制御装置を得る。
【解決手段】イオン電流検出手段５の出力に基づき特定周波数強度を検出する周波数強度検出手段６１、同出力に基づき該当の気筒燃焼行程内の所定区間のイオン電流面積を求めるイオン電流面積演算手段６２、求められたイオン電流面積に基づき検出された特定周波数強度を補正する補正手段６３を含む周波数強度演算手段６と、補正された特定周波数強度に基づき内燃機関のノック状態を判定するノック判定手段７と、この判定結果に基づき点火時期の制御パラメータ補正量を設定する制御パラメータ補正量設定手段８と、を備える。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関における燃焼により生じるイオン電流から、内燃機関のノッキング発生を検知して内燃機関制御量をノック抑制方向に補正する内燃機関のノック制御装置に関し、エンジン回転数、負荷、環境の違いなどによりイオン電流強度が変動した場合のノック誤検出および検出漏れを防止した内燃機関のノック制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より内燃機関のノック制御装置においては、ノック発生による内燃機関のダメージを抑制するために、ノック発生に応じて内燃機関の制御量をノック抑制側（例えば、点火時期を遅角側）に補正制御している。また、イオン電流を用いた内燃機関のノック制御装置は、気筒毎のノック検出感度差が少なく、気筒別のノック制御を行ううえで有効であり、従来より種々提案されている。
【０００３】
一般に、内燃機関においては、燃焼室内に導入された空気と燃料の混合気をピストンの上昇により圧縮し、燃焼室内の点火プラグに高電圧を印加して発生する電気火花で混合気を燃焼させることにより、ピストンを押し下げる力を出力として取り出す。このとき、燃焼室内において燃焼が行われると、燃焼室内の分子は電離（イオン化）するので、燃焼室内の点火プラグ（イオン電流検出用電極）に高電圧を印加すると、点火プラグを介したイオンの移動によりイオン電流が流れる。このイオン電流は燃焼室内の圧力変動により敏感に変化し、ノックに対応した振動成分を含むことが知られている。従って、イオン電流に基づきノックの有無を判定することができる。
【０００４】
この種の装置においては、イオン電流に重畳されるノイズによるノック誤検出を防ぐ為に、イオン電流検出信号に対してバックグランドレベルが設定される。従来の装置においては、ノック周波数信号に波形整形処理などを施したノック周波数強度の指標に対して、指標の平均値と運転領域に応じた不感帯領域（オフセット値）との和により算出されたバックグランドレベル（ノイズレベルの判定基準）を設定している（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−９１０８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
イオン電流は、エンジン回転数、負荷や温度等の環境の違いによりその電流レベルが変動することが知られている。ノック発生時にイオン電流に重畳される振動成分は、イオン電流レベルが大きいとその振幅も大きくなり、イオン電流レベルが小さいと振幅も小さくなる。つまり、同強度のノックが発生したとしても、イオン電流レベルの違いにより周波数強度解析の結果が異なってしまうことがわかる。上記特許文献１に記載の装置において、回転数、負荷、環境の変化等によるイオン電流検出信号レベルの変動によりノック周波数強度もあわせて変動する時、バックグランドレベルの最適なオフセット値は運転条件により異なる場合が多い。全運転条件でオフセット一定の場合は、ノック誤検出または検出漏れを引き起こすことが予想される。これは、オフセット値を例えば”回転数−負荷”に基づいてマップ化すればおおよそ解決できるが、隣接マップ軸の間の運転条件において隣接マップ値の差が大きいと最適なオフセット値を得ることができず、良好なノック制御性を確保できない場合が懸念される。
【０００７】
この発明は上記のような問題を解決するためになされたもので、環境、エンジン回転数、負荷等に基づくイオン電流レベルの変動を考慮し、ノック周波数強度、さらにはバックグランドノイズレベルを全運転条件でほぼ同レベルに正規化することで、全運転条件で同等のノック制御性を持ち、また運転条件による種々の補正を必要としないノック制御装置を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、内燃機関の燃焼室内において点火直後に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流から特定周波数強度を抽出する周波数強度演算手段と、特定周波数強度に基づき内燃機関のノック状態を判定するノック判定手段と、このノック判定手段の判定結果に基づき点火時期の制御パラメータ補正量を設定する制御パラメータ補正量設定手段と、を備え、周波数強度演算手段が、イオン電流検出手段の出力に基づき特定周波数強度を検出する周波数強度検出手段と、イオン電流検出手段の出力に基づき該当の気筒燃焼行程内の所定区間のイオン電流面積を求めるイオン電流面積演算手段と、このイオン電流面積演算手段の結果に基づいて検出された特定周波数強度を補正する補正手段と、を含むことを特徴とする内燃機関のノック制御装置にある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施の形態による内燃機関のノック制御装置の構成を示すブロック図である。また、図２には図１のノック制御装置の点火装置３、点火プラグ４およびイオン電流検出回路５の回路構成の一例を示す図である。図１において、ＥＣＵ２はマイクロコンピュータにより構成されている。また、図１においては、代表的に１つの点火プラグ４のみが示されているものとする（図２にはディストリビュータＤに接続された４つの点火プラグが示されている）。各種センサ１は、周知のスロットル開度センサ、クランク角センサおよび温度センサ等を含み、内燃機関の運転状態を示す各種センサ信号を生成する。たとえば、各種センサ内のクランク角センサは、エンジン回転数に応じたクランク角信号ＳＧＴを出力する。クランク角信号ＳＧＴを含む各種センサ信号は、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ２に入力される。クランク角信号ＳＧＴは、各気筒のクランク角基準位置を示したパルスエッジを有しており、ＥＣＵ２内にて種々の制御演算に用いられる。
【００１０】
点火装置３は、図２に示すように一次巻線３０１および二次巻線３０３を有する点火コイル３０５と、点火コイルの一次電流を通電遮断するパワートランジスタ３０７とを含む。点火プラグ４は、点火装置３から印加される点火用高電圧により点火火花を発生して、エンジン各気筒の混合気を所定タイミングで着火する。イオン電流検出回路５は図２に示すように燃焼時に点火プラグ４のギャップ間に流れるイオン電流を検出するために、点火装置３内の点火コイルを介して点火プラグ４にバイアス電圧ＢＶｉを印加するバイアス手段であるコンデンサ５０１と、イオン電流ｉによるイオン電流検出信号Ｅｉを出力する抵抗器５０３とを含む。
【００１１】
周波数強度演算部６は図１に示すように、周波数強度検出手段６１、イオン電流面積演算手段６２、補正手段６３で構成され、これらにより得られた特定周波数強度の指標はＥＣＵ２へ入力される。ここでは周波数強度演算部６の処理をＥＣＵ２とは別体のマイクロコンピュータ（ＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）でもよい）を用いたモジュールで行うものとするが、ＥＣＵ２内で直接イオン電流を取り込んで処理してもよいし、ＥＣＵ内蔵または別体のアナログ回路を用いて構成してもよい。
【００１２】
ＥＣＵ２は、ノック判定手段７、制御パラメータ補正量設定手段８、点火信号発生装置９ａ内の点火時期補正手段９、および必要に応じて各手段で使用するしきい値やマップを格納するメモリＭを備えている。ノック判定手段７は、周波数強度演算部６から入力された特定周波数強度がしきい値を超えた時にノック発生を示す比較結果を出力する。制御パラメータ補正量設定手段８は、ノック判定手段７から入力されたノック発生を示す比較結果（しきい値を超えた大きさ）に対応した制御パラメータ補正量（ここでは点火時期遅角量）を設定し、点火時期補正手段９は設定された補正量に応じて点火時期を遅角補正する。
【００１３】
クランク角センサを含む各種センサ１は、エンジンの運転状態を示す温度情報などの各種情報をＥＣＵ２に入力する。ＥＣＵ２に接続された各種アクチュエータ１０は、運転状態に応じたＥＣＵ２からの制御信号により駆動する。なお、ここでは図示しないが、ＥＣＵ２と、点火装置３、各種センサ１および各種アクチュエータ１０との間には、入出力インターフェースおよびＤ／Ａ変換器またはＡ／Ｄ変換器が挿入されている。
【００１４】
次に、図１および２に示した構成図と図３のイオン電流検出から点火時期遅角補正量設定までの処理のフローチャートをもとに、この実施の形態の動作について、さらに具体的に説明する。ＥＣＵ２から点火信号が生成されると、点火装置３から発生した高電圧が点火プラグ４に印加され、点火プラグ４のギャップ間で放電が起こり、エンジン気筒内の混合気が着火される。このとき、点火エネルギーの一部は、イオン電流検出回路５内にバイアス電圧ＶＢｉとしてコンデンサ５０１に充電される。このバイアス電圧は、点火装置３を介して点火プラグ４に印加され、混合気の燃焼時に発生したイオンを移動させてイオン電流を流す。イオン電流ｉは、イオン電流検出回路５によりイオン電流検出信号Ｅｉとして検出され、周波数強度演算部６内のイオン電流面積演算手段６２により燃焼行程中の指定期間内のイオン電流面積が求められ、一方では周波数強度検出手段６１によるＦＦＴ解析により、ノック発生時にイオン電流に重畳する特定周波数強度を求める。一般的にノッキング周波数は６ＫＨｚ付近として知られており、ここでは６．２５ＫＨｚの周波数強度（以下ノック周波数強度とする）を算出する（ステップＳ１）。
【００１５】
図４の（ａ）（ｂ）はイオン電流レベル大小の波形（ノッキング発生時）、（ｃ）（ｄ）はそれぞれの波形におけるＦＦＴ解析結果を示したものである。ここではそれぞれ同強度のノッキングが発生した場合とする。図のとおりイオン電流レベルと共にノック周波数強度も変動することがわかる。このままノック周波数強度に何の補正も加えずノック判定手段７へ入力すると、同強度のノックキングであるにも関わらず、ノック周波数強度とノック判定しきい値との比較結果が異なり、遅角補正量も異なってしまう。イオン電流面積演算手段６２は、点火ノイズから所定のマスク期間後のイオン電流ピークを検出し、このピーク後所定区間のイオン電流面積を算出する。ここでは当該燃焼行程内に発生するイオン電流の二次ピーク位置から８００マイクロ秒間の面積を求める（ステップＳ２、Ｓ３）が、ピークを中心に所定区間の面積を求めてもよい。
【００１６】
図５は、（ａ）に示すイオン電流波形と（ｂ）に示す筒内圧力との関係を示すものである。イオン電流一次ピークを含む凸波形１は、混合気に着火した際の燃焼反応に伴うもので、イオン電流二次ピークを含む凸波形２は、筒内圧力（燃焼圧）に伴うものである。筒内圧はエンジン回転数に依存する。ノックは筒内圧力ピーク近傍に発生することは既知の事実である。よってノックに伴う信号の補正（正規化）因子としては、凸波形２を用いるのが最も効果的である。
【００１７】
本実施の形態における二次ピーク検出方法は、点火ノイズから所定のマスク期間を設けることで一次ピークを無視して二次ピークの検出を行うものである。エンジン回転数、負荷情報等をＥＣＵ２から受信してマスク期間、さらにはイオン電流面積演算区間を運転条件毎に設定してもよい。ところで、本実施の形態においては、周波数強度を検出する手段としてＦＦＴを用いているが、ＦＦＴ演算による算出値は面積と同次元であることは既知である。故にＦＦＴ出力を正規化（無次元化）するためにはイオン電流の面積を用いることが望ましい。ここで、周波数強度を検出する手段が、振動の振幅を算出する装置である場合は、イオン電流の平均値で正規化を行っても同様の効果を得ることができる。また、先述のようにノック振動はイオン電流の二次ピーク付近に発生する。従って、ノック振動重畳の可能性のある凸波形２のピーク付近の面積を用いてフーリエ強度を正規化することが効果的である。イオン電流の二次ピーク付近以外の部分に発生する振動はノック発生に起因している可能性が極めて低く、故に凸波形２のピークに関係の薄い部分の面積を含めることで、ノック信号強度を不用意に損失してしまうためである。
【００１８】
ここでは、イオン電流二次ピークから８００マイクロ秒間のイオン電流面積を求めたが、ＥＣＵ２からクランク角度情報を受信して、一般的に知られるノッキング発生期間（ＡＴＤＣ２０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ６０°ＣＡ）のイオン電流面積を求めてもよい。
【００１９】
ノック周波数強度は、補正手段６３によりイオン電流面積演算手段６２の出力に基づいて正規化される。ここでは、ノック周波数強度をイオン電流面積で単純に除算したもの（ステップＳ４）とするが、イオン電流面積に基づいて補正係数を取得し（例えばメモリＭにマップを格納しておく）、ノック周波数強度を補正してもよい。図６に、同強度のノッキング発生時のイオン電流レベルとノック周波数強度（正規化前、正規化後）の関係を示す。ノック周波数強度は正規化前と正規化後では単位が異なるが、相対比較のために同一軸上にプロットしてある。ノック周波数強度を正規化することにより、運転条件等によるイオン電流レベルの変動に伴うノック周波数強度の変動が殆んどなくなり、ノック判定しきい値を運転条件ごとに設定する必要がなくなる。
【００２０】
正規化されたノック周波数強度は、ここではＣＡＮ（ケーブル・エリア・ネットワーク）を介して数値としてＥＣＵ２へ入力されるが、Ｉ／Ｏポートからパルス列や電圧値として入力してもよい。ノック判定手段７は、正規化されたノック周波数強度とノック判定用しきい値とを比較してノック判定結果を出力し（ステップＳ５）、制御パラメータ補正量設定手段８は、その判定結果に対応した点火時期遅角量を設定する（ステップＳ６）。そして点火信号発生装置９ａの点火時期補正手段９は設定された点火時期遅角量に応じて点火時期を遅角補正する。図１は簡略化のために１気筒分の構成図を示しているが、気筒毎（図２の点火プラグ４の枠内の各点火プラグ参照）に同様の制御手段を設けてもよいことは言うまでもない。
【００２１】
このように、内燃機関のノック制御装置において、イオン電流検出手段の出力に基づき該当する気筒燃焼行程内の所定区間のイオン電流面積を求め、このイオン電流面積に基づいて特定周波数強度を補正し、補正された特定周波数強度から内燃機関のノック状態を判定して判定結果に基づき点火時期の制御パラメータ補正量を設定するようにしたので、イオン電流レベルの大小に影響されないノック制御が可能となる。
【００２２】
また、特定周波数強度を補正する際に、イオン電流面積に基づいて特定周波数強度を除算して正規化することでイオン電流レベルの大小に関わらず、同等のノック制御性を確保することができる。
【００２３】
また、イオン電流面積を演算する際に、当該気筒燃焼行程中のイオン電流ピークから所定区間およびイオン電流ピークを含む所定区間のいずれかの区間の面積を演算することでより正規化に適した要素を求めることができる。
【００２４】
また、イオン電流面積を演算する際に、当該気筒燃焼行程中のクランク角度ＡＴＤＣ２０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ６０°ＣＡのイオン電流面積を演算することでより正規化に適した要素を求めることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、内燃機関の燃焼室内において点火直後に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、イオン電流から特定周波数強度を抽出する周波数強度演算手段と、特定周波数強度に基づき内燃機関のノック状態を判定するノック判定手段と、このノック判定手段の判定結果に基づき点火時期の制御パラメータ補正量を設定する制御パラメータ補正量設定手段と、を備え、周波数強度演算手段が、イオン電流検出手段の出力に基づき特定周波数強度を検出する周波数強度検出手段と、イオン電流検出手段の出力に基づき該当の気筒燃焼行程内の所定区間のイオン電流面積を求めるイオン電流面積演算手段と、このイオン電流面積演算手段の結果に基づいて検出された特定周波数強度を補正する補正手段と、を含むようにしたので、イオン電流レベルの大小に影響されないノック制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態による内燃機関のノック制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１のノック制御装置の点火装置、点火プラグおよびイオン電流検出回路の回路構成の一例を示す図である。
【図３】この発明におけるイオン電流検出から点火時期遅角補正量設定までの処理のフローチャートである。
【図４】イオン電流レベルが大小の時のイオン電流波形およびそれぞれのＦＦＴ解析結果を示す図である。
【図５】イオン電流波形と筒内圧力との関係を示す図である。
【図６】同強度のノッキング発生時の正規化前と正規化後のイオン電流レベルとノック周波数強度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１　各種センサ、２　ＥＣＵ、３　点火装置、４　点火プラグ、５　イオン電流検出回路、６　周波数強度演算部、７　ノック判定手段、８　制御パラメータ補正量設定手段、９　点火時期補正手段、９ａ　点火信号発生装置、６１　周波数強度検出手段、６２　イオン電流面積演算手段、６３　補正手段。

Claims

内燃機関の燃焼室内において点火直後に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流から特定周波数強度を抽出する周波数強度演算手段と、
前記特定周波数強度に基づき前記内燃機関のノック状態を判定するノック判定手段と、
このノック判定手段の判定結果に基づき点火時期の制御パラメータ補正量を設定する制御パラメータ補正量設定手段と、
を備え、
前記周波数強度演算手段が、前記イオン電流検出手段の出力に基づき前記特定周波数強度を検出する周波数強度検出手段と、前記イオン電流検出手段の出力に基づき当該気筒燃焼行程内の所定区間のイオン電流面積を求めるイオン電流面積演算手段と、このイオン電流面積演算手段の結果に基づいて検出された前記特定周波数強度を補正する補正手段と、
を含むことを特徴とする内燃機関のノック制御装置。
前記補正手段は、検出された前記特定周波数強度を前記イオン電流面積演算手段の出力結果で除算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック制御装置。
前記イオン電流面積演算手段は、当該気筒燃焼行程中のイオン電流ピークから所定区間およびイオン電流ピークを含む所定区間のいずれか一方の区間の面積を演算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制御装置。
前記イオン電流面積演算手段は、当該気筒燃焼行程中のクランク角度ＡＴＤＣ２０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ６０°ＣＡのイオン電流面積を演算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制御装置。