JP2008008177A - 内燃機関のノッキング判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノッキングが発生したか否かを判定する判定値Ｖ（ＫＸ）が、エンジンの振動の強度に対して小さくなりすぎたり大きくなりすぎたりすることを抑制する。
【解決手段】エンジンＥＣＵは、エンジンで発生する振動の強度Ｖを対数変換した強度値ＬＯＧ（Ｖ）を算出するステップ（Ｓ２００）と、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出するステップ（Ｓ２０２）と、標準偏差σと係数Ａとの積を、ノッキングが発生したか否かを判定するためにノック強度Ｎと比較される判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の上限値に設定するとともに、標準偏差σと係数Ｂとの積を判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の下限値に設定するステップ（Ｓ２０６）とを含む、プログラムを実行する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、内燃機関のノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の強度に応じて補正される値を用いてノッキングが発生したか否かを判定する技術に関する。

従来より、内燃機関において発生するノッキング（ノック）を検出する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関の振動の強度がしきい値よりも高いとノッキングが発生したと判定する技術がある。ところが、ノッキングが発生していなくても、たとえば吸気バルブや排気バルブが閉じる際に発生する振動などのノイズの強度がしきい値よりも高い場合がある。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。そこで、振動が発生するクランク角や減衰率など、強度以外の特性も考慮するために振動の波形に基づいてノッキングの有無を判定する技術が提案されている。

特開２００３−２１０３２号公報（特許文献１）に記載の内燃機関のノック制御装置は、内燃機関のノッキングを検出するためのノックセンサと、ノックセンサにより検出される出力信号を統計処理する統計処理部と、統計処理部による処理結果に基づいてノッキングの発生を判定する第１の仮判定部と、ノックセンサにより検出される出力信号の波形形状に基づいてノッキングの発生を判定する第２の仮判定部と、第１の仮判定部によるノック仮判定と第２の仮判定部によるノック仮判定との結果に基づいて最終的にノッキングの発生を判定する最終ノック判定部とを含む。最終ノック判定部は、第１の仮判定部と第２の仮判定部との両方がノッキングが発生したと判定したときに最終的にノッキングが発生したと判定する。第１の仮判定部では、ノックセンサにより検出される出力信号の最大値と、統計処理部による処理結果に基づいて算出されるノック判定レベル（ノック判定値）とを比較することにより、ノッキングが発生したか否かが判定される。ノック判定値は、ノッキングの発生頻度に基づいて、設定値ΔＶをノック判定値から減算した値や、「１」より大きな値Ａと設定値ΔＶとの積をノック判定値に加算した値に補正される。
特開２００３−２１０３２号公報

ところで、ノック判定値を補正する際、制限なく補正することは好ましくない。内燃機関において発生する振動の強度は、エンジン自体の調子や運転環境に応じて変化するため、補正されたノック判定値が常に適切であるとは限らないからである。したがって、極端な補正が行なわれると、内燃機関で発生する振動の強度に対してノック判定値が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりして、逆にノッキングが発生したか否かを判定する精度が悪化し得る。しかしながら、特開２００３−２１０３２号公報においては、ノック判定値を制限することに関しては何等記載がない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ノッキングが発生したか否かを判定する精度が悪化することを抑制することができる内燃機関のノッキング判定装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関の振動の強度を検出するための検出手段と、内燃機関の振動の強度に応じた第１の値を算出するための算出手段と、第１の値と予め定められた第２の値とを比較した結果に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段と、複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて、第２の値を補正するための補正手段と、複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて、第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を設定するための設定手段と、設定手段により設定された上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように、第２の値を制限するための制限手段とを含む。

第１の発明によると、内燃機関の振動の強度が検出される。この強度に応じた第１の値が算出される。この第１の値と予め定められた第２の値とを比較した結果に基づいて内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。ノッキングが発生したか否かを判定するために第１の値と比較される第２の値は、複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて補正される。さらに、複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて、第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方が設定される。第２の値は、第２の値が設定手段により設定された上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように制限される。これにより、内燃機関において実際に発生する振動の強度に応じた範囲内で、ノッキングが発生したか否かを判定するための基準となる第２の値を補正することができる。そのため、第２の値が内燃機関で発生する振動の強度に対して小さくなりすぎたり大きくなりすぎたりすることを抑制することができる。その結果、ノッキングが発生したか否かを判定する精度が悪化することを抑制することができる内燃機関のノッキング判定装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加え、設定手段は、各強度の標準偏差に基づいて、第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を設定するための手段を含む。

第２の発明によると、各強度の標準偏差に基づいて、第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方が設定される。これにより、内燃機関において実際に発生する振動の強度に応じた上限値もしくは下限値を得ることができる。

第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第２の発明の構成に加え、設定手段は、標準偏差と予め定められた係数との積を、第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方に設定するための手段を含む。

第３の発明によると、標準偏差と予め定められた係数とを乗算することにより、上限値もしくは下限値を得ることができる。

第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、制限手段は、設定手段により設定された上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方に加えて、予め定められた一定の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように、第２の値を制限するための手段を含む。

第４の発明によると、複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて設定される上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方に加えて、予め定められた一定の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように、第２の値が制限される。これにより、振動の強度が正しく検出されず、振動の強度に基づいた上限値もしくは下限値が適切ではない値になった場合でも、ノッキングが発生したか否かを判定する精度が悪化することを抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。このエンジン１００には複数の気筒が設けられる。本実施の形態に係るノッキング判定装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。

エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。点火時期は、出力トルクが最大になるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）になるように制御されるが、ノッキングが発生した場合など、エンジン１００の運転状態に応じて遅角されたり、進角されたりする。

混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。

エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２と、エアフローメータ３１４とが接続されている。

ノックセンサ３００は、エンジン１００のシリンダブロックに設けられる。ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。

タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランクポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角およびクランクシャフト１１０の回転数を検出する。

スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。エアフローメータ３１４は、エンジン１００に吸入される空気量を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。

エンジンＥＣＵ２００は、電源である補機バッテリ３２０から供給された電力により作動する。エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。

ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。ノッキングに起因して発生する振動の周波数は一定ではなく、所定の帯域幅を有する。そのため、本実施の形態においては、図２に示すように、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃを包含する第４の周波数帯Ｄの振動を検出する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。また、ノッキングに起因して発生する振動の周波数帯は３つに限られない。

図３を参照して、エンジンＥＣＵ２００についてさらに説明する。エンジンＥＣＵ２００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４００と、バンドパスフィルタ４１０と、積算部４２０とを含む。

Ａ／Ｄ変換部４００は、ノックセンサ３００から送信されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。バンドパスフィルタ４１０は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第４の周波数帯Ｄの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ４１０により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第４の周波数帯Ｄの振動のみが抽出される。

積算部４２０は、バンドパスフィルタ４１０により選別された信号、すなわち振動の強度を、クランク角で５度分づつ積算する。以下、積算された値を積算値と表わす。クランク角に対応させて積算値を算出することにより、図４に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。

検出された振動波形は、図５に示すようにエンジンＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２に記憶されたノック波形モデルと比較される。ノック波形モデルは、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルとして予め作成される。

ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。

本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の予め定められたクランク角分の振動に対応している。なお、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。

ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。

ノック波形モデルは、エンジン１００の寸法やノックセンサ３００の出力値が、寸法公差やノックセンサ３００の出力値の公差の中央値であるエンジン１００（以下、特性中央エンジンと記載する）を用いて作成される。すなわち、ノック波形モデルは、特性中央エンジンに強制的にノッキングを発生させた場合における振動波形である。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られず、その他、シミュレーションにより作成してもよい。

検出された波形とノック波形モデルとの比較においては、図６に示すように、正規化された波形とノック波形モデルとが比較される。ここで、正規化とは、たとえば、検出された振動波形における積算値の最大値で各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことである。なお、正規化の方法はこれに限らない。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された振動波形がノック波形モデルに類似する度合を表わす（振動波形とノック波形モデルとの偏差を表わす）相関係数Ｋを算出する。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化後の振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより、相関係数Ｋが算出される。なお、５度以外のクランク角ごとに振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値を算出するようにしてもよい。

正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、ΔＳ（Ｉ）の総和である。本実施の形態において、相関係数Ｋは、振動波形の形状がノック波形モデルの形状に近いほど、大きな値として算出される。したがって、振動波形にノッキング以外の要因による振動の波形が含まれた場合、相関係数Ｋは小さく算出される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。

さらに、エンジンＥＣＵ２００は、積算値の最大値（ピーク値）に基づいて、ノック強度Ｎを算出する。積算値の最大値をＰとし、エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ／ＢＧＬという方程式で算出される。なお、ノック強度Ｎを算出する際の積算値の最大値Ｐは対数変換される。また、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。

ＢＧＬは、後述する強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布において、標準偏差σと係数（たとえば「１」）との積を、中央値Ｖ（５０）から減算した値として算出される。なお、ＢＧＬの算出方法はこれに限らず、ＢＧＬをＲＯＭ２０２に記憶しておくようにしてもよい。

本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、算出されたノック強度ＮとＳＲＡＭ２０４に記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較し、さらに検出された波形と記憶されたノック波形モデルとを比較して、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを１点火サイクル（クランク角で０度から７２０度まで）ごとに判定する。

図７に示すように、判定値Ｖ（ＫＸ）は、エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとした運転状態により区分される領域毎に、マップとして記憶される。本実施の形態においては、低回転（ＮＥ＜ＮＥ（１））、中回転（ＮＥ（１）≦ＮＥ＜ＮＥ（２））、高回転（ＮＥ（２）≦ＮＥ）、低負荷（ＫＬ＜ＫＬ（１））、中負荷（ＫＬ（１）≦ＫＬ＜ＫＬ（２））、高負荷（ＫＬ（２）≦ＫＬ）で区分することにより、気筒毎に９つの領域が設けられる。なお、領域の数はこれに限らない。また、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＫＬ以外のパラメータを用いて領域を区分するようにしてもよい。

エンジン１００もしくは車両の出荷時において、ＲＯＭ２０２に記憶される判定値Ｖ（ＫＸ）（出荷時における判定値Ｖ（ＫＸ）の初期値）には、予め実験などにより定められる値が用いられる。ところが、ノックセンサ３００の出力値のばらつきや劣化などにより、エンジン１００で同じ振動が生じた場合であっても、検出される強度が変化し得る。この場合、判定値Ｖ（ＫＸ）を補正し、実際に検出される強度に応じた判定値Ｖ（ＫＸ）を用いてノッキングが発生したか否かを判定する必要がある。

そこで、本実施の形態においては、図８に示すように、強度Ｖを対数変換した値である強度値ＬＯＧ（Ｖ）と、各強度値ＬＯＧ（Ｖ）が検出された頻度（回数、確率ともいう）との関係を示す頻度分布に基づいてノッキングが発生した頻度を判定し、ノッキングが発生した頻度に応じて判定値Ｖ（ＫＸ）を補正する。

エンジン回転数ＮＥと吸入空気量ＫＬとをパラメータとする領域ごとに強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出される。強度値ＬＯＧ（Ｖ）を算出するために用いられる強度Ｖは、予め定められたクランク角の間における強度のピーク値（５度ごとの積算値のピーク値）である。算出される強度ＬＯＧ（Ｖ）に基づいて、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度を最小値から累積して５０％になる中央値Ｖ（５０）が算出される。また、中央値Ｖ（５０）以下の強度値ＬＯＧ（Ｖ）における標準偏差σが算出される。たとえば、本実施の形態においては、複数（たとえば２００サイクル）の強度値ＬＯＧ（Ｖ）に基づいて算出される中央値および標準偏差と近似した中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが、以下の算出方法により１点火サイクルごとに算出される。

今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも大きい場合、前回算出された中央値Ｖ（５０）に予め定められた値Ｃ（１）を加算した値が、今回の中央値Ｖ（５０）として算出される。逆に、今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも小さい場合、前回算出された中央値Ｖ（５０）から予め定められた値Ｃ（２）（たとえばＣ（２）はＣ（１）と同じ値）を減算した値が、今回の中央値Ｖ（５０）として算出される。

今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも小さく、かつ前回算出された中央値Ｖ（５０）から前回算出された標準偏差σを減算した値よりも大きい場合、前回算出された標準偏差σから予め定められた値Ｃ（３）を２倍した値を減算した値が、今回の標準偏差σとして算出される。逆に、今回検出された強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、前回算出された中央値Ｖ（５０）よりも大きい場合、または前回算出された中央値Ｖ（５０）から前回算出された標準偏差σを減算した値よりも小さい場合、前回算出された標準偏差σに予め定められた値Ｃ（４）（たとえばＣ（４）はＣ（３）と同じ値）を加算した値が、今回の標準偏差σとして算出される。なお、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σの算出方法はこれに限定されない。また、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σの初期値は、予め設定された値であってもよいし、「０」であってもよい。

中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを用いて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される。図８に示すように、中央値Ｖ（５０）に係数Ｕ（１）（Ｕ（１）は定数で、たとえばＵ（１）＝３）と標準偏差σとの積を加算した値が、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）となる。なお、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）の算出方法はこれに限らない。

ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合（頻度）が、ノッキングが発生した頻度として判定され、ノック占有率ＫＣとしてカウントされる。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きいと、点火時期の遅角が行なわれる頻度が高くなるように、判定値Ｖ（ＫＸ）が予め定められた補正量だけ小さく補正される。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも小さいと、点火時期の進角が行なわれる頻度が高くなるように、判定値Ｖ（ＫＸ）が予め定められた補正量だけ大きく補正される。

係数Ｕは、実験などより得られたデータや知見から求められた係数である。Ｕ＝３とした場合のノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）が、実際にノッキングが発生した点火サイクルにおける強度値ＬＯＧ（Ｖ）と略一致する。なお、係数Ｕに「３」以外の値を用いるようにしてもよい。

図９を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が、ノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定して点火時期を制御するために実行するプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥを検出するとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬを検出する。

Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度を検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。

Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表わす値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（積算値）を算出する。積算値を算出することにより、エンジン１００の振動波形が検出される。

Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００の振動波形における積算値のうち、最も大きい積算値（ピーク値Ｐ）を算出する。

Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、算出されたピーク値Ｐで、各積算値を除算することにより、振動の強度を０〜１の無次元数で表わすことをいう。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋを算出する。Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。

Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きいか否かを判別する。相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい場合（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、処理はＳ１１６に移される。そうでない場合（Ｓ１１４にてＮＯ）、処理はＳ１２０に移される。

Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生したと判定する。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。

図１０〜図１２を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が、予め定められた数の点火サイクルごとに判定値Ｖ（ＫＸ）を補正するために実行するプログラムの制御構造について説明する。

Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて検出される強度Ｖから、強度値ＬＯＧ（Ｖ）を算出する。ここで、強度Ｖは、予め定められたクランク角の間におけるピーク値（５度ごとの積算値のピーク値）である。

Ｓ２０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、強度値ＬＯＧ（Ｖ）について、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出する。なお、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σを算出は、Ｎ（Ｎは自然数で、たとえばＮ＝２００）点火サイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が抽出されるごとに算出するようにしてもよい。

Ｓ２０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）を算出する。

Ｓ２０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、標準偏差σと係数Ａ（たとえばＡ＝５）との積を判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の上限値に設定するとともに、標準偏差σと係数Ｂ（Ｂ＜Ａ。たとえばＢ＝２）との積を判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の下限値に設定する。なお、第１の上限値および第１の下限値のうちのいずれか一方を設定するようにしてもよい。

Ｓ２０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、強度値ＬＯＧ（Ｖ）のうちの、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合を、ノック占有率ＫＣとしてカウントする。

Ｓ２１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、前回判定値Ｖ（ＫＸ）が補正されてからＮサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出されたか否かを判別する。Ｎサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出された場合（Ｓ２１０にてＹＥＳ）、処理はＳ２１２に移される。そうでない場合（Ｓ２１０にてＮＯ）、処理はＳ２００に戻される。

Ｓ２１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きいか否かを判定する。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きい場合（Ｓ２１２にてＹＥＳ）、処理はＳ２１４に移される。そうでない場合（Ｓ２１２にてＮＯ）、処理はＳ２１６に移される。

Ｓ２１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を、予め定められた補正量だけ小さくする。Ｓ２１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、判定値Ｖ（ＫＸ）を、予め定められた補正量だけ大きくする。

Ｓ３００にて、エンジンＥＣＵ２００は、補正後の判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の下限値および予め定められた一定の第２の下限値のうちの少なくともいずれか一方より小さいか否かを判別する。

判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の下限値および第２の下限値のうちの少なくともいずれか一方より小さい場合（Ｓ３００にてＹＥＳ）、処理はＳ３０２に移される。そうでない場合（Ｓ３００にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ３０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の下限値および第２の下限値のうちの大きい方の下限値を判定値Ｖ（ＫＸ）に設定する。すなわち、判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の下限値および第２の下限値を超えないように（下回らないように）制限される。

Ｓ３０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、補正後の判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の上限値および予め定められた一定の第２の上限値のうちの少なくともいずれか一方より大きいか否かを判別する。

判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の上限値および第２の上限値のうちの少なくともいずれか一方より大きい場合（Ｓ３０４にてＹＥＳ）、処理はＳ３０６に移される。そうでない場合（Ｓ３０４にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ３０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、第１の上限値および第２の上限値のうちの小さい方の上限値を判定値Ｖ（ＫＸ）に設定する。すなわち、判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の上限値および第２の上限値を超えないように制限される。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。

エンジン１００の運転中において、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、エンジン回転数ＮＥが検出されるとともに、エアフローメータ３１４から送信された信号に基づいて、吸入空気量ＫＬが検出される（Ｓ１００）。また、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１０２）。

燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が算出される（Ｓ１０４）。これにより、前述した図４に示すようなエンジン１００の振動波形が検出される。

５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、振動の強度が細かく変化する複雑な形状の振動波形が検出されることを抑制することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。

算出された積算値のピーク値Ｐが算出される（Ｓ１０６）。算出されたピーク値Ｐでエンジン１００の振動波形における積算値が除算されて、振動波形が正規化される（Ｓ１０８）。正規化により、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。これにより、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。

正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ（図６参照）、この状態で、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１０）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。また、振動波形とノック波形モデルとを比較することで、振動の減衰傾向など、振動の挙動からノッキング時の振動であるか否かを分析することができる。

さらに、ピーク値ＰをＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１２）。これにより、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。

相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい場合（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１６）、点火時期が遅角される（Ｓ１１８）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。相関係数Ｋが予め定められた値よりも大きく、かつノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きい状態ではない場合（Ｓ１１４にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１２０）、点火時期が進角される（Ｓ１２２）。このようにして、ノック強度Ｎと判定値Ｖ（ＫＸ）とを比較することにより１点火サイクルごとにノッキングが発生したか否かが判定され、点火時期が遅角されたり、進角されたりする。

ところで、ノックセンサ３００の出力値のばらつきや劣化などにより、エンジン１００で同じ振動が生じた場合であっても、検出される強度が変化し得る。この場合、判定値Ｖ（ＫＸ）を補正し、実際に検出される強度に応じた判定値Ｖ（ＫＸ）を用いてノッキングが発生したか否かを判定する必要がある。

そこで、本実施の形態においては、強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出される（Ｓ２００）。さらに、強度値ＬＯＧ（Ｖ）の中央値Ｖ（５０）および標準偏差σが算出される（Ｓ２０２）。これらの中央値Ｖ（５０）および標準偏差σに基づいて、ノック判定レベルＶ（ＫＤ）が算出される（Ｓ２０４）。

このとき、標準偏差σと係数Ａとの積が判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の上限値に設定されるとともに、標準偏差σと係数Ｂとの積が判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の下限値に設定される（Ｓ２０６）。

ノック判定レベルＶ（ＫＤ）よりも大きい強度値ＬＯＧ（Ｖ）の割合が、ノック占有率ＫＣとしてカウントされる（Ｓ２０８）。

前回判定値Ｖ（ＫＸ）を補正してからＮサイクル分の強度値ＬＯＧ（Ｖ）が算出されると（Ｓ２１０にＹＥＳ）、ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも大きい場合（Ｓ２１２にてＹＥＳ）、点火時期の遅角制御（Ｓ１１８）が行なわれる頻度が高くなるように判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくされる（Ｓ２１４）。ノック占有率ＫＣがしきい値ＫＣ（０）よりも小さい場合（Ｓ２１２にてＮＯ）、点火時期の進角制御（Ｓ１２２）が行なわれる頻度が高くなるように判定値Ｖ（ＫＸ）が大きくされる（Ｓ２１６）。これにより、１点火サイクルごとのノッキング判定における判定値Ｖ（ＫＸ）を適切に補正し、点火時期を適切に制御することができる。

判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくなるように補正された際、補正後の判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の下限値および予め定められた一定の第２の下限値のうちの少なくともいずれか一方より小さいと（Ｓ３００にてＹＥＳ）、第１の下限値および第２の下限値のうちの大きい方の下限値が判定値Ｖ（ＫＸ）に設定される（Ｓ３０２）。

同様に、判定値Ｖ（ＫＸ）が大きくなるように補正された際、補正後の判定値Ｖ（ＫＸ）が第１の上限値および予め定められた一定の第２の上限値のうちの少なくともいずれか一方より大きいと（Ｓ３０４にてＹＥＳ）、第１の上限値および第２の上限値のうちの小さい方の上限値が判定値Ｖ（ＫＸ）に設定される（Ｓ３０６）。これにより、判定値Ｖ（ＫＸ）が小さくなりすぎたり大きくなりすぎたりすることを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵによれば、エンジンで発生した振動の強度から算出されるノック強度Ｎが判定値Ｖ（ＫＸ）よりも大きいか否かによりノッキングが発生したか否かが判定される。判定値Ｖ（ＫＸ）は、強度Ｖを対数変換した強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布に基づいて補正される。さらに、この頻度分布から算出される標準偏差σと係数Ａとの積が判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の上限値に設定される。標準偏差σと係数Ｂとの積が判定値Ｖ（ＫＸ）の第１の下限値に設定される。これにより、実際にエンジンにおいて発生する振動の強度に応じた上限値および下限値を得ることができる。これらの上限値および下限値の範囲内で、判定値Ｖ（ＫＸ）が補正される。そのため、判定値Ｖ（ＫＸ）がエンジンで発生する振動の強度に対して小さくなりすぎたり大きくなりすぎたりすることを抑制することができる。その結果、ノッキングが発生したか否かを判定する精度が悪化することを抑制することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵにより制御されるエンジンを示す概略構成図である。 ノッキング時にエンジンで発生する振動の周波数帯を示す図である。 図１のエンジンＥＣＵを示す制御ブロック図である。 エンジンの振動波形を示す図である。 エンジンＥＣＵのＲＯＭに記憶されたノック波形モデルを示す図である。 振動波形とノック波形モデルとを比較した図である。 エンジンＥＣＵのＲＯＭに記憶された判定値Ｖ（ＫＸ）のマップを示す図である。 強度値ＬＯＧ（Ｖ）の頻度分布を示す図である。 本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その１）である。 本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その２）である。 本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その３）である。 本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャート（その４）である。

符号の説明

１００ エンジン、１０４ インジェクタ、１０６ 点火プラグ、１１０ クランクシャフト、２００ エンジンＥＣＵ、２０２ ＲＯＭ、３００ ノックセンサ、３０２ 水温センサ、３０４ タイミングロータ、３０６ クランクポジションセンサ、３０８ スロットル開度センサ、３１４ エアフローメータ、３２０ 補機バッテリ。

Claims (4)

1. 内燃機関のノッキング判定装置であって、
   前記内燃機関の振動の強度を検出するための検出手段と、
   前記内燃機関の振動の強度に応じた第１の値を算出するための算出手段と、
   前記第１の値と予め定められた第２の値とを比較した結果に基づいて前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段と、
   複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて、前記第２の値を補正するための補正手段と、
   前記複数の点火サイクルにおいて検出された強度に基づいて、前記第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を設定するための設定手段と、
   前記設定手段により設定された上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように、前記第２の値を制限するための制限手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
2. 前記設定手段は、各前記強度の標準偏差に基づいて、前記第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を設定するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
3. 前記設定手段は、前記標準偏差と予め定められた係数との積を、前記第２の値の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方に設定するための手段を含む、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
4. 前記制限手段は、前記設定手段により設定された上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方に加えて、予め定められた一定の上限値および下限値のうちの少なくともいずれか一方を越えないように、前記第２の値を制限するための手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。

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