JPH0526721A

JPH0526721A - ノツキング検出装置

Info

Publication number: JPH0526721A
Application number: JP20376891A
Authority: JP
Inventors: Kouzou Katougi; 工三加藤木; Takanobu Ichihara; 隆信市原; Hiroatsu Tokuda; 博厚徳田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-02-02
Anticipated expiration: 2015-12-11
Also published as: JP3117495B2; DE4223649A1; DE4223649C2

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジンの運転状態や経年変化のいかんにかか
わらず、常に確実にノッキングの判定が可能なノッキン
グ検出装置を提供すること。【構成】ノックセンサ１５の出力に基づいて、所定の複
数のノック振動モードの夫々による周波数成分から、相
接近した周波数の信号を抽出する少なくとも３種の周波
数分析処理１１１、１１２、１１３を設け、これら複数
の信号の内の振幅レベルが最大の信号の周波数に合わせ
て周波数ｆ₁を変化させるようにした。【効果】周波数分析処理の中心周波数が各振動モードの
変化に自動的に追尾してゆくので、エンジンの運転状態
や経年変化のいかんにかかわらず、常に確実にノッキン
グの判定が可能なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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、特に自動車用ガソリンエンジンに好適
なノッキング検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンにノッキング(ノックともいう)
が発生すると、特有の共鳴周波数成分を持つた振動が発
生する。そこで、この振動をノックセンサで検出するこ
とにより、ノッキングの発生を判定することができる。
そこで、従来のノッキング検出装置では、バンドパスフ
ィルタを用いて、ノックセンサからの信号に含まれる周
波数成分のうち、最も発生頻度の高い特定の周波数成分
のみを取り出すようにし、この取り出した信号のレベル
の大小によってノッキングの有無を判断していた。な
お、これに関連した装置としては、特開昭５９−７３７
５０号、特開昭５９−１２５０３４号、特開昭６０−２
０４９６９号、それに特開平１−１７８７７３号の各
公報に記載のものを挙げることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ノッ
キングには複数の振動モードが存在する点について配慮
がされておらず、ノッキング発生時の振動モードのいく
つかを雑音として処理していたために、ノッキング検出
能力に限界があり、ノッキング検出が可能なエンジンの
運転領域が制限され、確実なノッキング検出の点で問題
があつた。

【０００４】すなわち、従来の装置では、バンドパスフ
ィルタを用いてノックセンサ信号に含まれる信号のうち
から特定の周波数のみを検出処理しているが、実際のノ
ッキング現象では、決して単一周波数成分のみが発生す
るのではなく、複数のノッキング振動モードが存在す
る。

【０００５】つまり、図６に示すように、エンジンのシ
リンダは、その名の通り円筒状なので、円筒内の振動モ
ードとして半径方向と円周方向に圧力変動の節(区切り
線)と腹(＋、−)とが存在し、このため、ノッキングに
よるシリンダ内の共鳴現象として５種の周波数成分が現
われる。しかるに従来の技術では、これらの周波数のう
ち、最も共鳴しやすい特定の周波数だけを取り出してい
たことになり、このためノッキング検出能力に限界が生
じてしまうのである。

【０００６】また、ノッキング振動の周波数は、燃焼室
内のガスの性状によっても変化してしまう。つまり、シ
リンダの共鳴波長は、共鳴空洞となる燃焼室の形状で決
定されるが、燃焼温度や圧縮比が上ると燃焼ガス中での
音速も早くなり、周波数が上昇してしまうのである。さ
らに、エンジンの圧縮比が上がると、燃焼温度の上昇を
もたらすだけではなく、共鳴空洞に形状変化を生じ、共
鳴モードも変ってしまう。

【０００７】この点に関しては、従来のバンドパスフィ
ルタを用いた技術では、このフィルタの帯域を広くする
ことにより対応が可能であるが、この結果、ノイズも拾
い易くなり、やはりノッキングの確実な検出の点で問題
があった。本発明の目的は、エンジンの運転状態のいか
んにかかわらず、常に確実にノッキングの判定が可能
で、精度の良いノッキング制御が容易に行なえるように
したノッキング検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、ノックセンサの出力に基づいて、所定の複数のノッ
ク振動モードの夫々による信号成分を独立に抽出する周
波数成分抽出手段を設け、これら複数の信号成分の総合
判定によりノッキング発生の有無を判定するようにし、
このとき、上記周波数成分抽出手段により抽出される信
号として、周波数が相接近した少なくとも３種の信号が
得られるようにし、これらの信号の振幅レベルから検出
すべき周波数成分のずれを求め、上記周波数成分抽出手
段の中心周波数を変化させるようにしたものである。

【０００９】

【作用】振動検出手段により燃焼室内で生じるノッキン
グ振動の全モードをとらえることができ、周波数成分抽
出手段により、各振動モードを分離して検出することが
できる。このとき、各振動モード毎にノック判定を行な
うことで、従来雑音成分として除いていた信号もノック
検出にとりこむことができるので、ノッキング検出能力
を向上できる。そして、振動モードの変化に応じて周波
数成分抽出手段の中心周波数が自動的に追尾するので、
常に確実にノックが判定でき、精度の良いノック制御を
行なうことができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明によるノッキング検出装置につ
いて、図示の実施例により詳細に説明する。図５は本発
明の一実施例が適用されているエンジン制御装置の構成
図で、図において、１はエンジン制御ユニット、２はエ
ンジンのシリンダ、３は吸気管、４は排気管、５は絞り
弁、６は燃料噴射弁、７は点火プラグ、８は点火コイ
ル、９はディストリビュータ、１０は吸入空気流量を計
測するエアフローセンサ、１１は気筒判別用のレファン
スセンサ、１２は回転角を測るポジションセンサ、１３
は絞り弁を検出する開度センサ、１４は空燃比を検出す
るＯ₂センサ、１５Ａはノック振動センサ、１５Ｂは座
圧センサ、そして１５Ｃは筒内圧センサである。

【００１１】エンジン制御ユニット１はマイコンを含む
各種の電子回路で構成され、吸入空気流量計１０、基準
角センサ１１、位置角センサ１２、絞り弁開度センサ１
３、それに空燃比センサ１４など、エンジンの運転状態
を知るのに必要な各種のセンサからの信号を取り込み、
所定の演算処理により各種の駆動信号を作成し、燃料噴
射弁６や点火コイル８を動作させ、エンジンを制御す
る。

【００１２】ノック振動センサ１５Ａと座圧センサ１５
Ｂ、それに筒内圧センサ１５Ｃは、いずれもノック信号
検出手段として設けられているもので、まず、ノック振
動センサ１５Ａはエンジンのシリンダブロックの燃焼室
の近傍に取り付けられ、エンジンの燃焼に伴う振動を電
気信号に変換する働きをし、次に、座圧センサ１５Ｂは
点火プラグ７の座金部分に設けられ、燃焼室内の振動を
直接とらえて電気信号に変換する働きをする。そして、
筒内圧センサ１５Ｃは燃焼室のシリンダヘッドの一部に
穴をあけて取り付けられ、やはり燃焼室内の振動を直接
とらえて電気信号に変換する働きをするものである。

【００１３】なお、本発明の実施例としては、ノック信
号検出手段は１系統あればよく、従って、実際には、ノ
ック振動センサ１５Ａと座圧センサ１５Ｂ、それに筒内
圧センサ１５Ｃの内の何れか１個だけが使用されること
になる。

【００１４】ところで、上記したように、ノッキング発
生時の振動モードと周波数は、図６に示すようになって
いる。すなわち、燃焼室内の円筒の振動として、半径方
向と円周方向に振動の節(区切り線)と腹(＋又は−)とに
共鳴状態が生じて、特定の周波数成分だけが発生する。
こうして発生したノックによる振動をノック信号検出手
段が検出するため、その出力には複数の振動モードの信
号が含まれることになる。

【００１５】従って、ノック信号検出手段となるノック
振動センサ１５Ａや座金センサ１５Ｂ、或いは筒内圧セ
ンサ１５Ｃは、この図６に示した周波数を含む全帯域に
わたって一様な感度を持つことが望ましく、そのため
に、圧電セラミックや水晶を用いたピエゾ型圧電検出方
式のセンサが一般的に使用されており、従って、この実
施例でも、このようなセンサを使用している。

【００１６】上記したように、エンジン制御ユニット１
は、燃料噴射弁６や点火コイル８に駆動信号を供給して
エンジンを制御しているが、更にこの実施例では、ノッ
ク振動センサ１５Ａと座圧センサ１５Ｂ、それに筒内圧
センサ１５Ｃの内の何れか１個からなるノック信号検出
手段からの信号(ノック信号)を取り込んでノッキング判
定処理を行ない、その結果に基づいて、所定の態様で点
火時期を遅らせることにより与えられるノッキング制御
を遂行するようになっており、このときのエンジン制御
ユニット１によるノック判定処理について、以下、順次
説明する。

【００１７】まず、ノック信号検出手段(以下、ノック
センサ１５という)の信号は、所定の周波数分析手段に
入力され、夫々の周波数成分に分離して抽出される。

【００１８】ところで、この周波数分析手段としては、
従来からアナログ回路によるバンドパスフィルタが主と
して用いられてきたが、複数の周波数成分を同時に抽出
しようとした場合には、抽出すべき周波数成分の種別数
と同じ個数分のアナログ回路を必要とし、回路規模の増
大と回路調整処理の複雑化が避けられない。そこで、こ
の実施例では、ノック信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換結果
についてディジタルフィルタによって周波数成分を抽出
するように構成してある。図６に示した周波数は、エン
ジンの形式や燃焼室形状、ボア径等によって変化するの
で、この実施例のように、ディジタルフィルタによって
周波数抽出手段１７を構成することにより調整を簡略化
できる。

【００１９】ディジタルフィルタとしては、図２に示し
た非回帰形や、図３に示した回帰形フィルタなどがあ
り、この実施例では、どちらのディジタルフィルタを使
用しても良い。さらに、このディジタルフィルタとして
は、図４に示すように、特徴周波数毎に、全帯域通過フ
ィルタの出力とバンドエリミネーションフィルタの出力
との差分をとるようにしたフィルタでもよい。なお、こ
の図４では、遅延回路が全帯域通過フィルタの機能を果
たしている。そして、抽出しようとする周波数成分の個
数だけフィルタを用意し、必要な種類の周波数成分を同
時に抽出するのである。

【００２０】ところで、ＡＤ変換を行なうサンプリング
間隔τ_s は、標本化定理によって抽出しようとする最大
の周波数の２倍以上の周波数の逆数であり、図６の例で
は、抽出周波数の最大値が１８．１ｋＨｚであるから、
この間隔τ_s は、次式を満足するものとなるようにすれ
ばよい。

【００２１】

【数１】

【００２２】なお、これら図２の非回帰形フィルタや図
３の回帰形フィルタでの係数ａｉ、ｂｉは、ディジタル
フィルタの設計手順に従って予め用意しておく。

【００２３】一方、周波数の分析手段としては高速フー
リエ変換が知られているが、この場合、２のｎ乗個のサ
ンプル数を必要とする。このため、周波数分析すべき区
間、すなわち、サンプリング区間は２倍又は１／２の離
散的な区間となり、不連続な区間になってしまう。

【００２４】そこで、この問題を解決するために、２の
ｎ乗個のサンプリングに数にとらわれず、個々のＡＤサ
ンプル値にフーリエ係数を乗じて求める方法があり、こ
のようにした周波数分析手段の一実施例を図７に示す。
すなわち、この図７に示すフーリエ級数による周波数分
析手段は、抽出しようとする周波数をｆとして、フーリ
エ係数ｃｉを次式のとおりとし、これによりサンプリン
グ回数ｉが変わるごとに係数を変えて周波数成分を抽出
するのである。

【００２５】

【数２】

【００２６】このとき、図７から明らかなように、この
実施例では、補正手段４０を設け、エンジンの運転状態
に応じて、例えば燃料噴射幅Ｔ_P や回転数Ｎに応じてシ
リンダ内の燃焼温度を推定演算し、これにより周波数ｆ
を変化させることで、常に適切な周波数成分が抽出でき
るようにしている。

【００２７】ところで、本発明では、図２の非回帰形デ
ィジタルフィルタや図３の回帰形ディジタルフィルタ、
又は図４のフィルタ、或いは図７のフーリエ級数による
周波数分析手段の何れかによる各周波数成分Ｓ₁ 〜Ｓ₅
…… の抽出処理に際して、さらに各特徴周波数を中心
にして、夫々少なくとも３種の周波数成分を抽出し、こ
れらの中で振幅レベルが最大値を示す周波数を該当する
特徴周波数成分と定め、次に、これと、残りの少なくと
も２種の周波数成分との関係からフィルタの中心周波数
を動かし、常に各特徴周波数に合わせてフィルタのチュ
ーニングが与えられるようにした点を大きな特徴とする
ものであり、従って、以下、このための手段について、
図１により説明する。

【００２８】この図１において、ノックセンサとサンプ
リング処理を除く、処理１１１〜１１４が図２の非回帰
形ディジタルフィルタや図３の回帰形ディジタルフィル
タ、又は図４のフィルタ、或いは図７のフーリエ級数に
よる周波数分析手段における各周波数成分の抽出処理の
夫々に対応するものである。

【００２９】まず、ここでの手順としては、図１に示す
ように、３種の周波数分析処理１１１、１１２、１１３
において、図の左下のスペクトル図に示すように、各特
徴周波数毎に、Ｓ₁₁＝ｆ₁−Δｆ、Ｓ₁₂＝ｆ₁、Ｓ₁₃＝ｆ
₁＋Δｆの３種の周波数成分を抽出する。ここで、ｆ₁は
当該特徴周波数ｆ₀に合わせた中心周波数であり、他
方、Δｆの値としては、中心周波数ｆ₁の値にもよる
が、数百Ｈｚ程度に設定すれば良い。

【００３０】そして、いま、周波数成分Ｓ₁₃が、これら
３種の周波数成分の中で最大レベルを示していたとすれ
ば、このときには特徴周波数が少なくともΔｆだけ高い
方にシフトしていることを表わすから、中心周波数ｆ₁
をΔｆだけ高くする。反対に、周波数成分Ｓ₁₁が、これ
ら３種の周波数成分の中で最大レベルを示していたとす
れば、このときには特徴周波数が少なくともΔｆだけ低
い方にシフトしていることを表わすから、今度は中心周
波数ｆ₁をΔｆだけ低くする。

【００３１】しかして、周波数成分Ｓ₁₂の振幅レベルが
最大であったときには、両側の周波数成分Ｓ₁₁と周波数
成分Ｓ₁₃の中で振幅レベルが大きい方に、中心周波数ｆ
₁をΔｆ×ｘ(ｘ＝０〜１)だけずらすのである。従っ
て、以上の処理は、図１の処理１１４に示すようにな
り、そして、このとき、周波数をずらすための具体的方
法としては、上記したディジタルフィルタでは、そこで
の各係数ａｉ、ｂｉ、ｃｉを変化させるだけで済み、極
めて容易に実現できる。

【００３２】こうして各周波数成分Ｓ₁ 〜Ｓ₅…… の抽
出を終ったら、これらにより、図８に示すノック判定手
段による処理を行なう。まず、処理８０、８１で、ノッ
ク振動の各周波数成分Ｓ₁〜Ｓ₅は、それまでにノック無
しと判定したときの周波数成分Ｓ₁〜Ｓ₅の平均値Ｓ₁ 〜
Ｓ₅ (以下の式と図８の中では上付きバーで示してある)
とそれぞれ比較し、その比率または差分（負の場合はゼ
ロ）を求め、それらの値をＳＮ₁〜ＳＮ₅とする。

【００３３】次に、処理８２により、これらの値ＳＮ₁
〜ＳＮ₅について、それらの和、又は値の大きい順に並
べたときの上位ｍ個の和をとり、それをノック指数ＩＫ
として出力する。そして、このノック指数ＩＫは処理８
３で、ノック制御における官能試験のレベルと比較さ
れ、図８の右下に示してあるノック指数ＩＫ信号の累積
頻度分布の上位ｙ％に相当するノック指数ＩＫ信号が現
われたとき、これをノック発生と判定する。ここで、こ
の図の右下の累積頻度分布は、指数の大きいレベルを０
％として、そこから全指数レベルを低い指数レベルまで
加算したものである。

【００３４】次に、ノック無しと判定された場合、処理
８４で周波数成分Ｓ₁〜Ｓ₅の平均値Ｓ₁ 〜Ｓ₅ の更新を以
下のようにして行なうのである。

【００３５】

【数３】

【００３６】ここで、Ｋは移動平均を求めるための係数
で、Ｋ＝４〜６４の間の数値が使われる。次に、周波数
成分の抽出タイミング処理について説明する。まず、図
９はこの処理に必要な構成を示したもので、ノックセン
サ１５からのノック信号と、基準角センサ１１からのレ
ファレンス信号と、位置角センサ１２からのポジション
信号とを入力とし、ポジション信号の立上りを計数し、
レファレンス信号の立上りでクリアされるカウンタ１０
０と、このカウンタ１００の計数値を比較するコンペア
レジスタ１０１、さらにカウンタ１００とコンペアレジ
スタ１０１の計数値が一致したらＣＰＵ１０３に割込を
要求する割込コントローラ１０２、そしてノック信号を
ＡＤ変換するＡＤ変換器１０４とからなる。

【００３７】次に、処理動作について、図１０のフロー
チャート及び図１１のタイミングチャートにより説明す
ると、まず、図１０の(a)に示すように、レファレンス
信号Ｒefの立上りでＣＰＵ１０３に割込がかかり、ＡＤ
変換器１０４による変換動作を開始すべき角度θ_K をコ
ンベアレジスタ１０１にセツトする。

【００３８】カウンタ１００はレファレンス信号Ｒef
の立上りでクリアされ、ポジション信号Ｐos をゼロか
ら計数し始める。そしてカウンタ１００の計数値がθ_K
に一致したら、図１０の(b)の一致割込による処理が開
始し、この中でＡＤ変換器１０４によるＡＤ変換を開始
し、同時にＡＤ変換割込を許可する。そして、ＡＤ変換
の終了角度θ_N をコンペアレジスタ１０１にセツトす
る。

【００３９】さらに、ＡＤ変換が終了する毎にＡＤ変換
割込要求がＣＰＵに出され、図１０の(c)の処理が始ま
り、このＡＤ変換割込内でディジタルフィルタの積和演
算を行なう。この積和演算はＡＤ変換値ＡＤｉと係数ａ
ｉ、ｂｉ、ｃｉなどとの乗算とその和を求める演算であ
り、クランク角がθ_N に達するまで行なわれる。

【００４０】ポジション信号Ｐos を計数しているカウ
ンタ１００のカウント値がθ_N に一致したときに、再び
一致割込要求が出され、この中でＡＤ変換割込を停止
し、それまでの積和演算値を各周波数成分Ｓ₁〜Ｓ₅とす
るのである。

【００４１】そして、図８に示したように、これらの周
波数成分Ｓ₁〜Ｓ₅と平均値との比率又は差分ＳＮ₁〜Ｓ
Ｎ₅を求めて、これらの値からノック指数ＩＫを算出す
るのである。

【００４２】その後、図８の処理８３により、ノック指
数ＩＫが官能試験でのレベルＳＬより大きいときにノッ
ク有りと判定し、小さいときにノックなしと判定した上
で、ノックの有無を表わす出力を、図１１に示すよう
に、次のレファレンス信号Ｒefの立上りまでに出力する
のである。

【００４３】そこで、エンジン制御ユニット１は、次の
レファレンス信号Ｒef の立上りで、このノックの有無
を入力とし、ノック有りのときには、次の点火時期設定
時に点火時期を遅らせるなどの、周知のノッキング回避
制御を実行するのである。

【００４４】以上のように、この実施例によれば、常に
確実にノッキング発生をとらえることができるから、的
確なノッキング回避制御が可能になり、エンジン性能の
向上を充分に図ることができる。

【００４５】さらに、この実施例によれば、振動センサ
の出力に含まれる情報を有効に活用できるので、エンジ
ン出力及び燃料効率が最適となるように制御できる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、気筒内での振動モード
に応じて、複数の周波数成分について同時に分析するこ
とができ、且つ分析結果が分析区間に含まれる信号強度
となるのでハードウエアが簡略化でき、さらに周波数選
択の自由度が増えるので、対象エンジンの諸元が変わっ
ても対応可能になる効果がある。

【００４７】また、本発明によれば、分析周波数が気筒
内での振動モードに応じて自動的に微調整され、分析周
波数の変化に自動的に追尾してゆくため、エンジンの経
年変化などにも関わらず、常に確実にノックを検出する
ことができ、高精度のノック制御を得ることができる。

【００４８】さらに、高速フーリエ変換と呼ばれる２の
ｎ乗個のサンプリング個数に限定されず、サンプリング
範囲を自由に選択できるので、エンジン回転数に応じて
周波数分析区間を自由に設定でき、ノッキング検出の精
度を充分に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるノッキング検出装置の一実施例に
おける周波数分析手段を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第１
の例を示すブロック図である。

【図３】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第２
の例を示すブロック図である。

【図４】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第３
の例を示すブロック図である。

【図５】本発明によるノッキング検出装置の一実施例が
適用されたエンジン制御装置の構成図である。

【図６】ノッキング周波数モードの説明図である。

【図７】本発明の一実施例におけるフィルタ手段の第４
の例を示すブロック図である。

【図８】本発明の一実施例におけるノッキング判定手段
のブロック図である。

【図９】本発明の一実施例におけるタイミング制御手段
のブロック図である。

【図１０】本発明の一実施例におけるタイミング制御動
作を説明するフローチャートである。

【図１１】本発明の一実施例におけるタイミング制御動
作を説明するタイミングチャートである。

【符号の説明】

１エンジン制御ユニット２エンジンのシリンダ３吸気管４排気管５絞り弁６燃料噴射弁７点火プラグ８点火コイル９ディストリビュータ１０吸入空気流量計１１基準角センサ１２位置角センサ１３絞り弁開度センサ１４空燃比センサ１５Ａノック振動センサ１５Ｂ座圧センサ１５Ｃ筒内圧センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｍ 15/00 Ａ 7324−2Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの振動又はシリンダ内圧振動の
少なくとも一方を検出するノックセンサの出力信号に含
まれる少なくとも２の所定の周波数成分を夫々独立に抽
出する周波数成分抽出手段と、この周波数成分抽出手段
から与えられる少なくとも２の出力の演算結果からノッ
ク指数を算定するノック指数演算手段とを備え、上記少
なくとも２の周波数成分をエンジンのシリンダに現われ
る共鳴モードの夫々によって定まる共鳴周波数成分に一
致させることにより上記ノック指数からノッキング発生
を判定する方式のノッキング検出装置において、上記少
なくとも２の周波数成分の夫々毎に少なくとも３種の相
接近した周波数の信号を抽出する周波数分析手段と、こ
れら少なくとも３種の信号の内の最大振幅レベルを有す
る信号の周波数に応じて上記周波数分析手段の中心周波
数を変化させる処理手段とを設け、上記周波数分析手段
の中心周波数が上記共鳴周波数成分の周波数変化に自動
追尾するように構成したことを特徴とするノッキング検
出装置。
【請求項２】請求項１の発明において、上記周波数成
分抽出手段が少なくとも２種のディジタルフィルタで構
成されていることを特徴とするノッキング検出装置。
【請求項３】請求項２の発明において、エンジンの運
転状態からシリンダ内雰囲気中での音速を算定する手段
を設け、この手段による音速の算定結果に応じて上記デ
ィジタルフィルタの中心周波数を変化させるように構成
したことを特徴とするノッキング検出装置。