JP4756968B2 - 内燃機関のノック判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノックセンサの出力信号から求められた振動強度をノック判定値と比較してノックの有無を判定する内燃機関のノック判定装置に関する発明である。

従来より、特許文献１（特許第２６０５８０５号公報）に示すように、ノックセンサの出力信号から算出された振動強度の対数変換値の分布（以下「振動強度分布」という）を判定し、この振動強度分布からノック判定値を演算するようにしたものがある。このノック判定値の演算方法を図５（ａ）に基づいて説明すると、振動強度分布の形状を評価する統計的指標となる中央値ＶＭＥＤと標準偏差σを算出し、この標準偏差σを３倍した値（３σ）を中央値ＶＭＥＤに加算してノック判定値を求めるようにしている。
ノック判定値＝ＶＭＥＤ＋３σ
特許第２６０５８０５号公報（第３頁〜第４頁等）

図５（ｂ）に示すように、振動強度分布の位置は、エンジンやノックセンサの機差ばらつきによってオフセットして現れるが、振動強度分布の形状は、機差ばらつきがあってもほぼ同じ分布形状に維持されるため、上記特許文献１のように、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを基準にしてノック判定値（ＶＭＥＤ＋３σ）を演算すれば、機差ばらつきの影響を排除したノック判定値を設定することができ、機差ばらつきの影響を受けないノック判定を行うことができるという長所がある反面、次のよう短所がある。

図５（ｃ）に示すように、ノックが頻発するような運転条件では、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと標準偏差σが共に大きくなる“発散現象”が発生する。このため、ノックが頻発するような運転条件では、ノック判定値（ＶＭＥＤ＋３σ）がノック無し時と比較して著しく大きくなってしまい、実際にはノックが頻発しているのにノックを検出できなくなる可能性がある。

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、機差ばらつきとノック頻発時の振動強度分布の発散の両方の影響を極力排除したノック判定値を設定することができ、機差ばらつきによる振動強度分布のずれ（オフセット）やノック頻発による振動強度分布の発散が現れる条件下でも、ノックを精度良く検出することができる内燃機関のノック判定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、内燃機関のノック振動を検出するノックセンサと、内燃機関の運転中に所定のサンプル周期で前記ノックセンサの出力信号から振動強度を算出する振動強度算出手段と、前記振動強度のデータを統計的に処理して振動強度分布を判定する分布判定手段と、前記振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定すると共に該振動強度基準値を基準にしてノック判定値を設定するノック判定値設定手段と、前記振動強度を前記ノック判定値と比較してノックの有無を判定するノック判定手段とを備えた内燃機関のノック判定装置において、前記ノック判定値設定手段は、前記振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと、この中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域の標準偏差σとを算出し、
振動強度基準値＝中央値ＶＭＥＤ−（標準偏差σ×定数ｕ）
の式により前記振動強度基準値を算出する。ここで、前記定数ｕは、前記振動強度基準値が前記振動強度分布の下限付近の値となるように適合した値であり、前記ノック判定値は、前記振動強度基準値に所定値を加算した値であり、前記所定値は、ノック無し時に前記ノック判定値が「中央値ＶＭＥＤ＋標準偏差σ×定数ｕ」と一致するように適合された値である。

ノックの振動強度は、ノック無し時の振動強度分布の上限の振動強度よりも大きくなるため、図６（ｃ）に示すように、ノック頻発時に発生する振動強度分布の発散は、振動強度分布の上限の振動強度を大きくする方向にずらす現象として現れるものであり、振動強度分布の下限の振動強度は、振動強度分布の発散があっても、ほとんど変動しない。従って、本発明のように、振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定すれば、振動強度分布の発散の影響が小さい領域に振動強度基準値を設定することができる。このため、振動強度分布の発散が現れる条件下でも、その発散の影響が小さい振動強度基準値を基準にしてノック判定値を設定することができるため、前記特許文献１のように発散の影響が大きく現れる振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを基準にしてノック判定値を設定する従来手法と比較して、発散の影響が小さいノック判定値を設定することができる。これにより、振動強度分布の発散が現れる条件下でも、ノック無し時のノック判定値に近いノック判定値を設定することができて、ノックを精度良く検出することができる。また、振動強度分布の形状は、機差ばらつきがあってもほぼ同じ形状に維持されるため、本発明のように振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定しても、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを振動強度基準値とする場合と同様に、機差ばらつきの影響を排除したノック判定値を設定することができ、機差ばらつきの影響を受けないノック判定を行うことができる。

この場合、請求項２のように、所定のノック判定区間におけるノックセンサの出力信号のピーク値又は積分値を対数変換した値を振動強度として算出するようにすると良い。このようにすれば、ノック無し時の振動強度分布がほぼ正規分布となり、安定したノック判定値の設定が可能となる。

ところで、請求項１に係る発明の特徴の一つは、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと、この中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域の標準偏差σとを算出し、次式により振動強度基準値を算出することである。
振動強度基準値＝中央値ＶＭＥＤ−（標準偏差σ×定数ｕ）

ここで、定数ｕは、振動強度基準値が振動強度分布の下限付近の値となるように適合するのが好ましく、一般には、定数ｕを３に設定すれば良いと思われるが、振動強度分布の形状等によっては、定数ｕを３以外の値（例えば２、２．５、３．５、４等）に設定した方が良い場合もある。上式により、振動強度基準値を算出すれば、常に振動強度基準値を、ノック頻発による発散の影響を最も受けにくい振動強度分布の下限付近に設定することができ、ノック判定値の精度を更に向上させることができる。

また、請求項１に係る発明では、ノック無し時に前記ノック判定値が「中央値ＶＭＥＤ＋標準偏差σ×定数ｕ」と一致するように適合された所定値を振動強度基準値に加算した値をノック判定値とするようにしている。
ノック判定値＝振動強度基準値＋所定値 ……（１）

ここで、所定値は、ノック無し時にノック判定値が中央値ＶＭＥＤ＋３σ（σは標準偏差）と一致するように適合するのが好ましく、従って、上記（１）式を用いる場合、振動強度基準値が中央値ＶＭＥＤ−３σであれば、所定値は６σ程度の値に適合すれば良い。上式によりノック判定値を算出すれば、極めて簡単な演算で、機差ばらつきとノック頻発時の振動強度分布の発散の両方の影響を極力排除したノック判定値を設定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
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、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を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、各点火プラグ２１の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

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、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ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、冷却水温を検出する冷却水温センサ２５と、ノック振動を検出するノックセンサ２８と、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が取り付けられている。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。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２７に入力される。このＥＣＵ２７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の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御する。

更に、このＥＣＵ２７は、後述する図２のノック判定ルーチンを実行することで、点火毎にノックセンサ２８の出力信号から振動強度を算出して、その振動強度をノック判定値と比較してノックの有無を判定し、ノック有りと判定したときに点火時期を遅角補正してノックを抑制し、ノック無しの状態が続いたときに点火時期を進角補正するというノック制御を行うことで、聴感で許容できるノック音の範囲内で点火時期を進角させてエンジン出力や燃費を向上させるようにしている。

ここで、振動強度の算出方法は、所定のノック判定区間におけるノックセンサ２８の出力信号のピーク値を対数変換した値を振動強度として算出する。この他、所定のノック判定区間におけるノックセンサ２８の出力信号の積分値を対数変換した値を振動強度として算出するようにしても良い。

また、ノック判定値は、次のようにして算出される。
まず、振動強度のデータを統計的に処理して振動強度分布を判定し、この振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定する。この振動強度基準値の設定は、後述する近似的な統計処理（図３のＶＭＥＤ，σ更新ルーチン）により振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを算出すると共に、この中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域のばらつき指標として標準偏差σを算出し、次式により振動強度基準値を算出する。
振動強度基準値＝ＶＭＥＤ−ｕ×σ （ｕは定数）

ここで、定数ｕは、振動強度基準値が振動強度分布の下限付近の値となるように適合するのが好ましく、一般には、定数ｕを３に設定すれば良いと思われるが、振動強度分布の形状等によっては、定数ｕを３以外の値（例えば２、２．５、３．５、４等）に設定した方が良い場合もある。

そして、この振動強度基準値（ＶＭＥＤ−ｕ×σ）に所定値Ｋを加算した値をノック判定値として用いる。
ノック判定値＝（ＶＭＥＤ−ｕ×σ）＋Ｋ

ここで、所定値Ｋは、ノック無し時にノック判定値がＶＭＥＤ＋３σ（又はＶＭＥＤ＋ｕ×σ）と一致するように適合するのが好ましく、従って、振動強度基準値がＶＭＥＤ−３σであれば、所定値Ｋは一般には６σ（又は２×ｕ×σ）程度の値に適合すれば良い。

本実施例のノック判定は、ＥＣＵ２７によって図２のノック判定ルーチンに従って次のようにして実行される。図２のノック判定ルーチンは、各気筒のノック判定区間終了毎に起動される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、所定のノック判定区間におけるノックセンサ２８の出力信号のピーク値（又は積分値）を検出する。この後、ステップ１０２に進み、このピーク値（又は積分値）を対数変換した値を振動強度として算出する。このステップ１０２の処理が特許請求の範囲でいう振動強度算出手段としての役割を果たす。

この後、ステップ１０３に進み、後述する図３のＶＭＥＤ，σ更新ルーチンを実行して振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと、この中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域の標準偏差σ（ばらつき指標）を算出する。

この後、ステップ１０４に進み、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと標準偏差σと定数ｕを用いて次式により振動強度基準値を算出する。
振動強度基準値＝ＶＭＥＤ−ｕ×σ

この後、ステップ１０５に進み、この振動強度基準値（ＶＭＥＤ−ｕ×σ）に所定値Ｋを加算した値をノック判定値として用いる。
ノック判定値＝振動強度基準値＋Ｋ
これらステップ１０４、１０５の処理が特許請求の範囲でいうノック判定値設定手段としての役割を果たす。

この後、ステップ１０６に進み、振動強度をノック判定値と比較し、振動強度がノック判定値よりも大きければ、ステップ１０７に進み、“ノック発生”と判定し、振動強度がノック判定値以下であれば、ステップ１０８に進み、“ノック無し”と判定する。これらステップ１０６〜１０８の処理が特許請求の範囲でいうノック判定手段としての役割を果たす。

図３のＶＭＥＤ，σ更新ルーチンは、上記図２のノック判定ルーチンのステップ１０３で実行されるサブルーチンであり、振動強度のデータを統計的に処理して振動強度分布を判定する分布判定手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと今回の振動強度とを比較し、今回の振動強度が振動強度分布の中央値ＶＭＥＤよりも大きければ、ステップ２０２に進み、現在の中央値ＶＭＥＤに所定値Ｃ１を加算した値（ＶＭＥＤ＋Ｃ１）を新たな中央値ＶＭＥＤとする。また、今回の振動強度が中央値ＶＭＥＤ以下であれば、ステップ２０３に進み、現在の中央値ＶＭＥＤに所定値Ｃ１を減算した値（ＶＭＥＤ−Ｃ１）を新たな中央値ＶＭＥＤとする。このように、振動強度と中央値ＶＭＥＤとの大小関係により、中央値ＶＭＥＤを±Ｃ１ずつ更新することで、中央値ＶＭＥＤの更新値を速やかに適正値に収束させる。

この後、ステップ２０４に進み、今回の振動強度が振動強度分布の中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲内（ＶＭＥＤ−σ＜振動強度≦ＶＭＥＤ）であるか否かを判定し、今回の振動強度が中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲内に存在すれば、ステップ２０５に進み、現在の標準偏差σから所定値Ｃ２の２倍の値を減算した値（σ−２×Ｃ２）を新たな標準偏差σとする。また、今回の振動強度が中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲に存在しなければ、ステップ２０６に進み、現在の標準偏差σに所定値Ｃ２を加算した値（σ＋Ｃ２）を新たな標準偏差σとする。

つまり、図４に示すように、振動強度分布が正規分布になると仮定すると、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲内に存在する頻度とそれ以外の領域に存在する頻度は、１：２の割合になるため、今回の振動強度が中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲内に存在すれば、σ−２×Ｃ２を新たな標準偏差σとし、今回の振動強度が中央値ＶＭＥＤからＶＭＥＤ−σの範囲に存在しなければ、σ＋Ｃ２を新たな標準偏差σとするという処理を繰り返すことで、標準偏差σの更新値は、振動強度分布が正規分布になると仮定した場合の標準偏差とほぼ等しくなる。

尚、中央値ＶＭＥＤと標準偏差σの初期値は、予め設定された所定値又は学習値（前回のエンジン停止時の記憶値）に設定しても良いし、０であっても良い。いずれの場合でも、エンジン始動後から数秒程度で、中央値ＶＭＥＤと標準偏差σの更新値が適正値に収束する。

ノックの振動強度は、ノック無し時の振動強度分布の上限の振動強度よりも大きくなるため、図６（ｃ）に示すように、ノック頻発時に発生する振動強度分布の発散は、振動強度分布の上限の振動強度を大きくする方向にずらす現象として現れるものであり、振動強度分布の下限の振動強度は、振動強度分布の発散があっても、ほとんど変動しない。従って、本実施例のように、振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定すれば、振動強度分布の発散の影響が小さい領域に振動強度基準値を設定することができる。これにより、振動強度分布の発散が現れる条件下でも、その発散の影響が小さい振動強度基準値を基準にしてノック判定値を設定することができるため、前記特許文献１のように発散の影響が大きく現れる振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを基準にしてノック判定値を設定する従来手法と比較して、発散の影響が小さいノック判定値を設定することができる。これにより、振動強度分布の発散が現れる条件下でも、ノック無し時のノック判定値に近いノック判定値を設定することができて、ノックを精度良く検出することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、振動強度分布の形状は、機差ばらつきがあってもほぼ同じ形状に維持されるため、本実施例のように振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定しても、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤを振動強度基準値とする場合と同様に、機差ばらつきの影響を排除したノック判定値を設定することができ、機差ばらつきの影響を受けないノック判定を行うことができる。

また、本実施例では、振動強度分布の形状を評価する統計的指標となる中央値ＶＭＥＤと標準偏差σを、近似的な統計処理（図３のＶＭＥＤ，σ更新ルーチン）により算出するようにしたので、振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと標準偏差σの更新速度ひいてはノック判定値の更新速度を高速化できるという利点があるが、本発明は、一般的な統計処理により振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと標準偏差σを算出するようにしても良い。

尚、本実施例では、ノック状態に応じた波形の信号を出力するセンサとして、シリンダブロックの振動を検出するノックセンサ２８を用いるようにしたが、燃焼圧を検出する燃焼圧センサ（筒内圧センサ）をノックセンサとして用いるようにしても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 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。 ＶＭＥＤ，σ更新ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 振動強度分布のうちの中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域の標準偏差σの技術的意味を説明する図である。 従来のノック判定方法を説明する図である。 本発明の実施例のノック判定方法を説明する図である。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１５…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２２…排気管、２７…ＥＣＵ（振動強度算出手段，分布判定手段，ノック判定値設定手段，ノック判定手段）、２８…ノックセンサ

Claims (2)

1. 内燃機関のノック振動を検出するノックセンサと、
   内燃機関の運転中に所定のサンプル周期で前記ノックセンサの出力信号から振動強度を算出する振動強度算出手段と、
   前記振動強度のデータを統計的に処理して振動強度分布を判定する分布判定手段と、
   前記振動強度分布のうちの振動強度が小さい方の領域に振動強度基準値を設定すると共に該振動強度基準値を基準にしてノック判定値を設定するノック判定値設定手段と、
   前記振動強度を前記ノック判定値と比較してノックの有無を判定するノック判定手段と を備えた内燃機関のノック判定装置において、
   前記ノック判定値設定手段は、前記振動強度分布の中央値ＶＭＥＤと、この中央値ＶＭＥＤより振動強度が小さい領域の標準偏差σとを算出し、
   振動強度基準値＝中央値ＶＭＥＤ−（標準偏差σ×定数ｕ）
   の式により前記振動強度基準値を算出し、
   前記定数ｕは、前記振動強度基準値が前記振動強度分布の下限付近の値となるように適合した値であり、
   前記ノック判定値は、前記振動強度基準値に所定値を加算した値であり、
   前記所定値は、ノック無し時に前記ノック判定値が「中央値ＶＭＥＤ＋標準偏差σ×定数ｕ」と一致するように適合された値であることを特徴とする内燃機関のノック判定装置。
2. 前記振動強度算出手段は、所定のノック判定区間における前記ノックセンサの出力信号のピーク値又は積分値を対数変換した値を振動強度として算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判定装置。

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