JP2009209751A - 内燃機関のノック検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノックセンサの出力信号に重畳するノイズによるノックの誤判定を防止する。
【解決手段】所定のノック判定区間でノックセンサ２８の出力信号をＡ／Ｄ変換部４１でＡ／Ｄ変換して取り込み、時間−周波数解析部４２でノックセンサ２８の出力信号から周波数と時間と振動強度のデータを同時に抽出して複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する。そして、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（クランク角度、時間）を演算し、この長さがノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ノック信号出力手段の出力信号から抽出した振動強度変化パターンに基づいてノック判定を行う内燃機関のノック検出装置に関する発明である。

近年、特許文献１（特開２００５−１８８２９７号公報）に記載されているように、ノック発生時には、ノック特有の振動成分のピーク周波数が徐々に低周波数側に移行する「低周波シフト」という現象が発生する点に着目して、ノックセンサの出力信号から抽出した１つのノック周波数域の振動成分のピーク周波数が徐々に低周波数側に移行しているか否かで、ノックの有無を判定するようにしたものがある。
特開２００５−１８８２９７号公報（第４頁等参照）

近年の内燃機関は、出力、燃費、環境性能向上を狙って、可変動弁機構、過給機等の様々なシステムを搭載したり、筒内噴射エンジンのように燃焼モードに応じて燃料噴射時期を変化させるため、ノック判定区間でノックセンサ信号に重畳するノイズの種類やノイズ発生頻度が増える傾向があるが、上記特許文献１のノック検出技術では、１つのノック周波数域の振動成分が時系列的に低周波シフトしているか否かを判定するだけであるため、例えば、図４に示すように、１つのノック判定区間内に複数のノイズが時系列的にノックセンサ信号に重畳した場合に、見掛上、１つの連続した振動成分が低周波シフトしているように誤判定してしまう可能性があり、１つの周波数域の振動成分の低周波シフトの有無のみを判定したのではノックを誤判定する可能性がある。

また、１発の打撃振動で発生するノイズ（バルブ着座ノイズ、直噴インジェクタノイズ等）は、ノック振動のように長く続くことはないが、ピストンがシリンダ壁面をこすりながら摺動することで発生するピストンスラップノイズのように、特定の周波数域のみで長く続くノイズがあり、このような特定の周波数域のみで長く続くノイズもノックを誤判定する原因となる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、ノック信号出力手段の出力信号に重畳するノイズによるノックの誤判定を防止することができて、ノック判定精度を高めることができる内燃機関のノック検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段と、このノック信号出力手段の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する複数周波数振動強度抽出手段と、前記複数の周波数域の振動強度変化パターンのうちの同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さ（クランク角度、時間）に基づいてノック判定を行うノック判定手段とを備えた構成としたものである。

ノックが発生すると、ノックの基本周波数（シリンダのボア径によって決まる１次の共振周波数である例えば７．５ｋＨｚ付近）のノック振動成分だけでなく、同じタイミングで、２次以降の高次の共振周波数域にもノック振動成分が現れる。複数のノイズが低周波シフトのように連続して発生する現象は、複数の周波数域に同時に発生する現象ではなく、１つの周波数域のみに発生する現象である。また、ピストンスラップノイズのように長く続くノイズも、１つの特定の周波数域のみに発生するノイズである。

これらの事情を考慮して、本発明では、ノック信号出力手段の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出して、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さ（クランク角度、時間）に基づいてノック判定を行うようにしたので、ノック信号出力手段の出力信号に重畳したノイズによって、いずれか１つの周波数域でノックと区別しにくい低周波シフト現象や長く続くピストンスラップノイズ等が現れたとしても、そのノイズをノックと誤判定することを防止することができて、ノック判定精度を高めることができる。

この場合、請求項２のように、ノック信号出力手段の出力信号を時間−周波数解析して複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出するようにしても良い。この場合、時間−周波数解析（Time-Frequency Analysis ）は、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）、ウェーブレット変換、ウィグナー分布等を用いれば良く、この時間−周波数解析によってノック信号出力手段の出力信号から周波数と時間と振動強度のデータを同時に抽出して複数の周波数域の振動強度変化パターンを作成することができる。

或は、請求項３のように、ノック信号出力手段の出力信号を複数の特定周波数域を抽出する複数のバンドパスフィルタで処理することで複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出するようにしても良い。このようにしても、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さを用いれば、ノック判定を精度良く行うことができる。

具体的には、請求項４のように、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さに基づいてノック判定を行うようにしても良い。このようにすれば、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さがノック判定しきい値以上であるか否かで、簡単にノックの有無を判定することができる。

或は、請求項５のように、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンのうちのいずれか２つの周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さの比に基づいてノック判定を行うようにしても良い。図３に示すように、ノック発生時には、低周波域ほど振動強度変化パターンの長さが長くなり、これが高周波域にいくほど短くなる傾向がある。ノイズにはこのような傾向が見られないため、２つの周波数域の振動強度変化パターンの長さの比からノック判定を行うことができる。

この場合、振動強度変化パターンの長さの比をとる２つの周波数域は、例えば、隣接する２つの周波数域であっても良いし、中間の周波数域と最も低い周波数域（又は最も高い周波数域）であっても良いが、請求項６のように、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンのうちの最も長く続く振動強度変化パターンの長さと最も短い振動強度変化パターンの長さとの比に基づいてノック判定を行うようにしても良い。このようにすれば、ノックとノイズとをより一層区別しやすくなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した４つの実施例１〜４を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図５に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。

内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１０によって開度調節されるスロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ燃料を筒内に噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各気筒の点火タイミング毎に点火装置２５によって点火プラグ２１に高電圧が印加されて筒内の混合気に着火される。

また、エンジン１１には、吸気バルブ２９のバルブタイミング（開閉時期）を可変する可変吸気バルブタイミング装置３１と、排気バルブ３０のバルブタイミングを可変する可変排気バルブタイミング装置３２とが設けられている。

一方、エンジン１１の排気管２２には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２３が設けられ、この触媒２３の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ２４が設けられている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２６が取り付けられ、このクランク角センサ２６の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

更に、エンジン１１のシリンダブロックには、ノック振動を検出するノックセンサ２８（ノック信号出力手段）が取り付けられ、このノックセンサ２８の出力信号が後述するノック判定回路３３でディジタル処理されてノック判定が行われる。このノック判定回路３３のノック判定結果がエンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３４に入力される。このＥＣＵ３４は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁２０の燃料噴射量、点火プラグ２１の点火時期、吸気側及び排気側の可変バルブタイミング装置３１，３２のバルブタイミング等を制御する。この際、点火時期の制御は、ノック判定回路３３によりノックを検出しないときに点火時期を進角し、ノックを検出したときに点火時期を遅角するという処理を繰り返すことで、点火時期をノック限界付近に制御するノック制御を実行する。

図３に示すように、ノックが発生すると、ノックの基本周波数（シリンダのボア径によって決まる１次の共振周波数）のノック振動成分だけでなく、同時に、２次以降の高次の共振周波数域にもノック振動成分が現れる。ノック発生時には、これら複数の周波数域の振動成分が徐々に低周波数側に移行する「低周波シフト」という現象が発生する。また、図４に示すように、１つのノック判定区間内に複数のノイズが時系列的にノックセンサ２８の出力信号に重畳した場合に、見掛上、１つの連続した振動成分が低周波シフトしているように誤判定してしまう可能性がある。１つの周波数域の振動成分の低周波シフトの有無のみを判定したのではノックを誤判定する可能性がある。

また、１発の打撃振動で発生するノイズ（バルブ着座ノイズ、直噴インジェクタノイズ等）は、ノック振動のように長く続くことはないが、ピストンがシリンダ壁面をこすりながら摺動することで発生するピストンスラップノイズのように、特定の周波数域のみで長く続くノイズがあり、このような特定の周波数域のみで長く続くノイズもノックを誤判定する原因となる。

そこで、本実施例１では、ノック発生時に複数の周波数域で同じタイミンクで振動が立ち上がる点に着目して、ノックセンサ２８の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出して、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（クランク角度、時間）に基づいてノック判定を行うようにしている。

以下、本実施例１では、ノックセンサ２８の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する手法として、時間−周波数解析（Time-Frequency Analysis ）を用いる例を説明する。この場合、時間−周波数解析は、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）、ウェーブレット変換、ウィグナー分布等を用いれば良い。

この時間−周波数解析の処理は、ノック判定回路３３内の時間−周波数解析部４２（複数周波数振動強度抽出手段）で行われる。ノックセンサ２８の出力信号は、Ａ／Ｄ変換部４１でデジタル値に変換され、時間−周波数解析部４２で処理される。これにより、ノック発生時には、図３に示すように、複数の周波数域で振動強度変化パターンが抽出される。この振動強度変化パターンが抽出される周波数域は、ノック振動の周波数のうちの最も低周波である基本周波数（シリンダのボア径によって決まる１次の共振周波数）と、２次以降の高次の共振周波数域である。

この時間−周波数解析部４２の解析結果に基づいてノック判定部４３（ノック判定手段）により複数の周波数域の振動強度変化パターンのうち、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（クランク角度、時間）を演算し、この長さがノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定する。

上述したノック判定処理は、ノック判定回路３３によって図５のノック判定ルーチンに従って実行される。図５のノック判定ルーチンは、各気筒の１点火毎に実行され、まず、ステップ１０１で、所定のノック判定区間でノックセンサ２８の出力信号をＡ／Ｄ変換部４１でＡ／Ｄ変換して取り込み、次のステップ１０２で、時間−周波数解析（ＳＴＦＴ、ウェーブレット変換、ウィグナー分布等）を実行して、ノックセンサ２８の出力信号から周波数と時間と振動強度のデータを同時に抽出して複数の周波数域の振動強度の時間変化パターンを抽出する。

この後、ステップ１０３に進み、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点と最も長く続く終了点を演算し、次のステップ１０４で、振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（振動強度変化パターンの最大長さ）を演算する。

この後、ステップ１０５に進み、振動強度変化パターンの最大長さをノック判定しきい値と比較して、振動強度変化パターンの最大長さがノック判定しきい値よりも大きければ、ステップ１０６に進み、ノックと判定し、振動強度変化パターンの最大長さがノック判定しきい値以下であれば、ステップ１０７に進み、ノックでないと判定する。このようにすれば、ノックセンサ２８の出力信号に重畳したノイズによって、いずれかの周波数域でノックと区別しにくい低周波シフト現象や長く続くピストンスラップノイズ等が現れたとしても、そのノイズをノックと誤判定することを防止することができて、ノック判定精度を高めることができる。

上記実施例１では、ノック判定回路３３の時間−周波数解析部４２でノックセンサ２８の出力信号を時間−周波数解析して複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出するようにしたが、図６乃至図８に示す本発明の実施例２では、ノック判定回路５０に、Ａ／Ｄ変換部４１でデジタル値に変換したノックセンサ２８の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する複数のバンドパスフィルタ（第１ＢＰＦ〜第４ＢＰＦ）５１〜５４を設け、ノック判定部５５（ノック判定手段）で、各ＢＰＦ５１〜５４で抽出した複数の周波数域の振動強度変化パターンのうち、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（最大長さ）がノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定するようにしている。

この場合、第１〜第４の各ＢＰＦ５１〜５４で抽出する周波数域は、１次の周波数域（ノック振動の基本周波数帯）と例えば２次〜４次の高次の周波数域であり、１次の周波数域（第１ＢＰＦ５１の通過帯域）は、ノック振動の周波数のうちの最も低周波である基本周波数（シリンダのボア径によって決まる１次の共振周波数であり、例えば、７ｋＨ付近）を含む周波数域に設定されている。また、２次〜４次の周波数域（第２〜第４の各ＢＰＦ５２〜５４の通過帯域）は、それぞれ２次〜４次の共振周波数を含む周波数域（例えば、１２ｋＨ付近、１７ｋＨ付近、２１ｋＨ付近）に設定されている。尚、ＢＰＦ５１〜５４の数は４つに限定されず、３つ又は５つ以上であっても良い。

本実施例２のノック判定処理は、ノック判定回路５０によって図８のノック判定ルーチンに従って実行される。図８のノック判定ルーチンは、図５のノック判定ルーチンのステップ１０２の処理をステップ１０２ａの処理に変更しただけであり、その他の各ステップの処理は同じである。

図８のノック判定ルーチンでは、ステップ１０１で、ノックセンサ２８の出力信号をＡ／Ｄ変換部４１でＡ／Ｄ変換した後、ステップ１０２ａで、ノックセンサ２８の出力信号を第１〜第４の各ＢＰＦ５１〜５４で処理して複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する（図７参照）。この後、ステップ１０３に進み、同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点と最も長く続く終了点を演算し、次のステップ１０４で、振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さ（振動強度変化パターンの最大長さ）を演算する。この後、ステップ１０５に進み、振動強度変化パターンの最大長さがノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定する（ステップ１０６、１０７）。

以上説明した本実施例２でも、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。

ノック発生時には、図３に示すように、低周波域ほど振動強度変化パターンの長さが長くなり、これが高周波域にいくほど短くなる傾向がある。ノイズにはこのような傾向は見られない。

そこで、本発明の実施例３では、図９のノック判定ルーチンを実行することで、同じタイミングで立ち上がる複数の周波数域の振動強度変化パターンのうちの最も長く続く振動強度変化パターンの長さ（最大長さ）と最も短い振動強度変化パターンの長さ（最小長さ）との比に基づいてノック判定を行うようにしている。

図９のノック判定ルーチンは、図５のノック判定ルーチンのステップ１０３〜１０５の処理をステップ１０３ｂ〜１０５ｂの処理に変更しただけであり、その他の各ステップの処理は同じである。

図９のノック判定ルーチンでは、Ａ／Ｄ変換したノックセンサ２８の出力信号から時間−周波数解析（ＳＴＦＴ、ウェーブレット変換、ウィグナー分布等）によって複数の周波数域の振動強度の時間変化パターンを抽出する（ステップ１０１、１０２）。

この後、ステップ１０３ｂに進み、同じタイミングで立ち上がる複数の周波数域の振動強度変化パターンのうちの最も長く続く振動強度変化パターンの長さ（最大長さ）と最も短い振動強度変化パターンの長さ（最小長さ）を演算し、次のステップ１０４ｂで、最大長さと最小長さとの比を演算する。この後、ステップ１０５ｂに進み、最大長さと最小長さとの比がノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定する（ステップ１０６、１０７）。

以上説明した本実施例３でも、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。

上記実施例３では、ノックセンサ２８の出力信号を時間−周波数解析して複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出するようにしたが、図１０に示す本発明の実施例４では、前記実施例２と同様に、Ａ／Ｄ変換したノックセンサ２８の出力信号を第１〜第４の各ＢＰＦ５１〜５４で処理することで、ノックセンサ２８の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出して（ステップ１０２ａ）、同じタイミングで立ち上がる複数の周波数域の振動強度変化パターンの最大長さと最小長さとの比がノック判定しきい値以上であるか否かでノックの有無を判定するようにしている（ステップ１０３ｂ〜１０７）。

以上説明した本実施例４でも、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。
尚、上記実施例３，４では、同じタイミングで立ち上がる複数の周波数域の振動強度変化パターンの最大長さと最小長さとの比を演算したが、本発明はこれに限定されず、振動強度変化パターンの長さの比をとる２つの周波数域は、例えば、隣接する２つの周波数域であっても良いし、中間の周波数域と最も低い周波数域（又は最も高い周波数域）であっても良い。或は、複数の周波数域の振動強度変化パターンの長さの平均値と最も低い周波数域（又は最も高い周波数域）との比を演算しても良い。

また、上記実施例１〜４では、エンジン運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段としてノックセンサ２８を用いたが、筒内圧を検出する筒内圧センサや、筒内の混合気の燃焼に伴って発生するイオンを点火プラグ２１等を介して検出するイオン電流検出手段等をノック信号出力手段として用いるようにしても良い。

その他、本発明は、図１のような筒内噴射エンジンに限定されず、吸気ポート噴射エンジンや、吸気ポートと筒内の両方に燃料噴射弁を搭載したデュアル噴射エンジンにも適用して実施することができ、また、可変バルブタイミング装置等の可変動弁装置が搭載されていないエンジンにも適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは言うまでもない。

本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体を示す概略構成図である。 実施例１のノックセンサの出力信号を処理してノック判定する回路を示すブロック図である。 実施例１のノックセンサの出力信号から抽出した複数の周波数域の振動強度の時間変化パターンを模式的に示す図である。 １つの周波数域のみで振動強度の時間変化パターンを抽出した場合にノックセンサの出力信号に重畳したノイズによってノックと誤判定する一例を説明する図である。 実施例１のノック判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２のノックセンサの出力信号を処理してノック判定する回路を示すブロック図である。 実施例２のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）処理後の振動波形の一例を示すタイムチャートである。 実施例２のノック判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例３のノック判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例４のノック判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２１…点火プラグ、２２…排気管、２５…点火装置、２８…ノックセンサ（ノック信号出力手段）、２９…吸気バルブ、３０…排気バルブ、３１…可変吸気バルブタイミング装置、３２…可変排気バルブタイミング装置、３３…ノック判定回路、３４…ＥＣＵ、４１…Ａ／Ｄ変換部、４２…時間−周波数解析部（複数周波数振動強度抽出手段）、４３…ノック判定部（ノック判定手段）、５０…ノック判定回路、５１〜５４…バンドパスフィルタ（第１ＢＰＦ〜第４ＢＰＦ）、５５…ノック判定部（ノック判定手段）

Claims (6)

1. 内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段と、
   前記ノック信号出力手段の出力信号から複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出する複数周波数振動強度抽出手段と、
   前記複数の周波数域の振動強度変化パターンのうちの同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さに基づいてノック判定を行うノック判定手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関のノック検出装置。
2. 前記複数周波数振動強度抽出手段は、前記ノック信号出力手段の出力信号を時間−周波数解析して前記複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出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検出装置。
3. 前記複数周波数振動強度抽出手段は、前記ノック信号出力手段の出力信号を複数の特定周波数域を抽出する複数のバンドパスフィルタで処理することで前記複数の周波数域の振動強度変化パターンを抽出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検出装置。
4. 前記ノック判定手段は、前記同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンの開始点から最も長く続く終了点までの長さに基づいてノック判定を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関のノック検出装置。
5. 前記ノック判定手段は、前記同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンのうちのいずれか２つの周波数域の振動強度変化パターンの開始点から終了点までの長さの比に基づいてノック判定を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関のノック検出装置。
6. 前記ノック判定手段は、前記同じタイミングで立ち上がる２つ以上の周波数域の振動強度変化パターンのうちの最も長く続く振動強度変化パターンの長さと最も短い振動強度変化パターンの長さとの比に基づいてノック判定を行うことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関のノック検出装置。

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