JP4920092B2

JP4920092B2 - ノックセンサ装置

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Publication number: JP4920092B2
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Inventors: 秀樹葉狩; 裕平松嶋
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Description

本発明は、内燃機関で発生するノック（ノッキング）を検出するノックセンサ装置に関し、特に、故障判定機能を有するノックセンサ装置に係わるものである。

従来から、エンジンで発生するノック現象をエンジンのブロックに直接取り付けられた振動センサ（以下、ノックセンサ）にて検出する方法が知られている。これは、エンジンの運転中にノックが発生すると、エンジンやノックの振動モードに応じて固有の周波数帯の振動が発生することが知られており、この固有周波数の振動強度を測定することでノック検出を行うものである。

ところで、このノックを検出するためのノックセンサに何らかの異常が発生した場合、正常にノックが検出できなくなるため、ノックセンサの異常検出（故障検出）が必要である。その方法として、ノックセンサにバイアス電圧を印加しておき、そのバイアス電圧をモニタすることでノックセンサ経路に断線等の異常がないかを判定する方法（例えば、特許文献１）や、ノックセンサの振動レベルを検出することでノックセンサの出力特性に異常がないかを判定する方法（例えば、特許文献１，２，３）が提案されている。

特開平４−３３１３２９号公報特許第３３０２２１９号公報特許第２５６２９６０号公報

特許文献１において、バイアス電圧を印加する方式については、ノックセンサの断線やショート等のオン・オフ的な診断は行えるが、圧電素子の劣化による出力レベルの低下などは精度良く診断することが出来ないことが指摘されている。そこで特許文献１では、圧電素子の劣化による出力レベルの低下も検出できるよう、エンジン回転速度に応じた振動レベルが所定値以下の場合に故障と判定する方法が開示されている。

ところが特許文献２には、上記のような振動レベルによる判定では、低回転域の振動レベルが、ノックセンサ経路の断線時に重畳するノイズレベルより小さくなるため、ある程度の高回転域（例えば３０００［ｒ／ｍｉｎ］以上）でなければ正しく故障判定できないことが開示されている。そこで、特許文献２では、エンジンの振動レベルは各行程間で差が大きいことに着目し、所定行程間での振動レベルの最大値・最小値の差に基づいて故障検出を行うことにより、比較的低い回転域（例えば、２０００［ｒ／ｍｉｎ］程度）でもノックセンサの故障が判定できる方法が提案されている。

より具体的には、正常時のエンジンの所定行程間での振動レベルの最大値・最小値の差が、ノックセンサ経路の断線時に重畳する電気ノイズレベルやセンサ特性劣化時のエンジンの振動レベルの所定行程間での最大値・最小値の差より大きくなる回転域であれば正しくノックセンサの故障が判定できると言える。しかしながら、アイドリング時などの極低回転（例えば、１０００［ｒ／ｍｉｎ］以下）ではエンジンの振動レベルは非常に小さく、所定行程間での振動レベルの最大値・最小値の差も小さくなるため、特許文献２による方法を用いてもノックセンサの正常時と異常時の判別が困難であり、ある程度の回転速度（例えば、２０００［ｒ／ｍｉｎ］以上）を維持した状態で走行しないとノックセンサの故障は判定できないという問題があった。

更に、特許文献３には、１行程間のうちノックが発生した時に振動レベルが大きくなる期間にノックゲートを、ノックが発生していないときに振動レベルが大きい期間にセンサフェール用ノイズゲートを、ノックの有無に関係なく通常の振動が発生する期間にノイズゲートの設定を行い、ノックゲートとノイズゲートによりノック検出を、センサフェール用ノイズゲートによりノックセンサの故障を判定することが記載されている。しかしながら、この方法においても、特許文献２に示される内容に基づくと、低回転域のセンサフェール用ノイズゲートでの振動レベルは、ノックセンサ経路の断線時に重畳するノイズレベルより小さくなるため、やはりアイドリング時などの極低回転ではノックセンサの故障検出を実施することは困難であった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、アイドリング時などの極低回転においても故障検出を行えるノックセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係わるノックセンサ装置は、内燃機関のノックによる振動を検出するためのノックセンサと、前記ノックセンサの出力信号をノックによる振動が発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、前記ノックセンサの出力信号を定常的に機械ノイズが発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄ変換手段と、前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルと前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルとの偏差を算出し、複数行程継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたものである。

また、本発明に係わるノックセンサ装置は、内燃機関のノックによる振動を検出するためのノックセンサと、前記ノックセンサの出力信号をノックによる振動が発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、前記ノックセンサの出力信号を定常的に機械ノイズが発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄ変換手段と、前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルである第１振幅レベルと前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルである第２振幅レベルとを各行程毎に複数行程に亘ってそれぞれ記憶しておき、前記第２振幅レベルの前記複数行程のうち最大のものと前記第１振幅レベルの前記複数行程のうち最小のものとの偏差を算出し、複数回継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたものである。

本発明のノックセンサ装置によれば、ノイズによる振動が発生する期間の振動レベルとノックによる振動が発生する期間の振動レベルとの偏差に基づいて、故障判定を実施するため、ノックセンサ断線時にはその偏差が小さく、正常時にはアイドリング時などの極低回転においてもその偏差が大きくなることから、極低回転においてもノックセンサの故障検出が可能となる。

本発明のノックセンサ装置によれば、ノックによる振動が発生する期間の振幅レベルである第１振幅レベルとノイズによる振動が発生する期間の振動レベルである第２振幅レベルとを各行程毎に複数行程に亘ってそれぞれ記憶しておき、前記第２振幅レベルの前記複数行程のうち最大のものと前記第１振幅レベルの前記複数行程のうち最小のものとの偏差を算出し、複数回継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサ
の故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたので、ノックセンサ正常時にはアイドリング時などの極低回転においてもその偏差がより一層大きくなることから、極低回転においてもノックセンサの故障検出精度の向上が可能となる。

本発明のノックセンサ装置を備えたエンジンとエンジン制御部を概略的に示す構成図である。本発明のノックセンサ装置を備えたエンジンとエンジン制御部を概略的に示すブロック図である。本発明の実施の形態１のノックセンサ装置におけるノック制御全体の構成を示すブロック図である。ノックセンサ装置の正常時及び故障時の振動レベルを概略的に示す図である。実施の形態１のノックセンサ装置における故障検出処理を示すフローチャートである。ノックセンサ装置の正常時及び故障時のＭａｘ＿ｎｓとＭａｘ＿ｋｎｋの差を概略的に示す図である。

ノックセンサ装置の正常時及び故障時の振動レベルにばらつきが生じた場合を概略的に示す図である。実施の形態２のノックセンサ装置における故障検出処理の一部を示すフローチャートである。実施の形態２のノックセンサ装置における故障検出処理の一部を示すフローチャートである。実施の形態３に係わるインジェクタの駆動に起因するノイズの発生タイミングを概略的に示す図である。実施の形態４に係わる吸気バルブの駆動に起因するノイズの発生タイミングを概略的に示す図である。実施の形態５のノックセンサ装置における故障検出処理の一部を示すフローチャートである。実施の形態７のノックセンサ装置における故障検出処理の一部を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明のノックセンサ装置を備えたエンジンとエンジン制御部を概略的に示す構成図である。図２は本発明のノックセンサ装置を備えたエンジンとエンジン制御部を概略的に示すブロック図である。

図１において、エンジン１の吸気系の上流に、吸入空気流量を調整するために電子的に制御される電子制御式スロットルバルブ２が設けられている。また、電子制御式スロットルバルブ２の開度を測定するために、スロットル開度センサ３が設けられている。なお、電子制御式スロットルバルブ２の代わりに図示しないアクセルペダルに直接ワイヤで繋がれた機械式スロットルバルブを用いてもよい。更に、電子制御式スロットルバルブ２の上流には吸入空気流量を測定するエアフロセンサ４が設けられており、電子制御式スロットルバルブ２の下流のエンジン１側には、サージタンク５内の圧力を測定するインマニ圧センサ６が設けられている。なお、エアフロセンサ４とインマニ圧センサ６に関しては、両方とも設けてもよいし、いずれか一方のみが設けられていてもよい。

サージタンク５下流の吸気ポートに設けられた吸気バルブには、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変動吸気バルブ機構７が取り付けられており、また、吸気ポートには燃料を噴射するインジェクタ８が設けられている。また、排気ポートに設けられた排気バルブには、排気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変動排気バルブ機構３１が取り付けられている。なお、インジェクタ８はエンジン１のシリンダ内に直接噴射できるように設けられてもよい。更に、エンジン１のシリンダ内の混合気に点火するための点火コイル９及び点火プラグ１０、エンジンの回転速度やクランク角度を検出するためにクランク軸に設けられたプレートのエッジを検出するためのクランク角センサ１１、エンジンの振動を検出するためのノックセンサ１２がエンジン１に設けられている。

図２おいて、エアフロセンサ４で測定された吸入空気流量と、インマニ圧センサ６で測定されたインマニ圧と、スロットル開度センサ３で測定された電子制御式スロットルバルブ２の開度と、クランク角センサ１１より出力されるクランク軸に設けられたプレートのエッジに同期したパルスと、ノックセンサ１２で測定されたエンジン１の振動波形は、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）１３に入力される。また前記以外の各種センサからもＥＣＵ１３に測定値が入力され、さらに、他のコントローラ（例えば、自動変速機制御、ブレーキ制御、トラクション制御等の制御システム）からの信号も入力される。

ＥＣＵ１３では、アクセル開度やエンジンの運転状態などを基にして目標スロットル開度が算出されて電子制御式スロットルバルブ２を制御する。また、その時の運転状態に応じて、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変動吸気バルブ機構７は制御され、目標空燃比を達成するようにインジェクタ８は駆動され、目標点火時期を達成するように点火コイル９への通電が行われる。なお、後述の装置でノックが検出された場合には、目標点火時期を遅角側（リタード側）に設定することでノックの発生を抑制する制御も行われる。さらに、前記以外の各種アクチュエータへの指示値も算出される。

次に図３を参照しながら、ＥＣＵ１３内で行うノック制御の概要について説明する。図３は本発明の実施の形態１のノックセンサ装置におけるノック制御全体の構成を示すブロック図である。図３において、１２及び１３は、ぞれぞれ、図１，２に示したノックセンサ及びＥＣＵである。ＥＣＵ１３内のノック制御部の構成について説明する。ＥＣＵ１３は各種Ｉ／Ｆ回路とマイクロコンピュータからなり、マイクロコンピュータはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、制御プログラムや制御定数を記憶しておくＲＯＭ領域、プログラムを実行した際の変数を記憶しておくＲＡＭ領域等から構成されている。

１４はノック制御用のＩ／Ｆ回路を示しており、ノックセンサの信号出力の高周波成分を除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。１５はマイクロコンピュータのＡ／Ｄ変換手段で、これにより実施されるＡ／Ｄ変換は、一定の時間間隔（例えば、設定した１０μｓや２０μｓ等）毎に実行される。なお、ＬＰＦ１４では、Ａ／Ｄ変換手段１５で全振動成分を取り込むために、例えば、２．５Ｖにバイアス（振動成分の中心を２．５Ｖに）しておき、２．５Ｖを中心に０〜５Ｖの範囲に振動成分が収まるよう、振動成分が小さい場合には２．５Ｖを中心に増幅し、大きい場合には２．５Ｖを中心に減少させるゲイン変換機能も含まれている。

なお、このＡ／Ｄ変換は常時行っておいて、ノックが発生する期間（例えば、ＴＤＣからＡＴＤＣ５０°ＣＡ（Ａ５０と略す）等、以下、ノック検出期間という。ＴＤＣ：Top Death Center, ＡＴＤＣ：After Top Death Center）のデータのみ１６以降へ送るようにしても良いし、ノック検出期間のみＡ／Ｄ変換を行い、１６以降へ送るようにしても良い（図では、１６以降に送る期間をＡ／Ｄウインドウで示している）。このノック検出期間について、図４を参照して説明する。図４（１)ノックなし時のノック検出期間では、ノ
ックセンサ信号に現れる振動成分が小さく、ノックによる異常振動は発生していない。ところが、図４（２）ノックあり時では、ノックセンサ信号に現れる振動成分が大きくノックによる異常振動が発生している。このように、ノックの有無に応じて振動成分の大きさが変化する期間をノック検出期間として設定する。

続く１６ａ，１６ｂではデジタル信号処理による時間−周波数解析が実施される。このデジタル信号処理として、例えば、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）や短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）と呼ばれる処理により、異なるノック固有周波数成分のスペクトル列が算出される。なお、デジタル信号処理としては、ＩＩＲ（無限インパルス応答）フィルタやＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを用いてノック固有周波数成分を抽出するようにしてもよい。

１７ａ，１７ｂでは、１６ａ，１６ｂにて算出したスペクトル列のピークホールド値を算出する。１８ａ，１８ｂは平均化部であり、次式を用い、行程毎に算出されたピークホールド値に対するフィルタ処理を行い平均化する。
ＶBGLa,b(n)＝Ｋ1×ＶBGLa,b(n-1)＋（１−Ｋ1）×ＶPa,b(n) （１）
（ＶBGL(n)：フィルタ値、ＶP(n)：ピークホールド値、Ｋ1：平均化係数、n：行程数）
続く１９ａ，１９ｂにおいて次式によりノック判別のためのスレッショルド値を得る。
ＶTHa,b(n)＝ＶBGLa,b(n)×Ｋtha,b＋Ｖofs a,b （２）
（ＶTH(n)：スレッショルド値、Ｋth：スレッショルド係数、Ｖofs：スレッショルドオフセット）

２０ａ，２０ｂは比較演算部であり、ピークホールド値とスレッショルド値とを比較し、次式によりノック発生有無を判別し、ノック強度に応じた信号を出力する。
ＶKa,b(n)＝max{ ＶPa,b(n)−ＶTHa,b(n), 0 } （３）
（ＶK(n)：ノック強度（ＶK(n)＞０時にノック有りと判定））
２１ａ，２１ｂは、１点火毎遅角量演算部であり、比較演算部２０ａ，２０ｂのノック判別結果から次式により１点火毎のノック強度に応じた遅角量を演算する。
ΔθRa,b(n)＝ＶKa,b(n)／ＶTHa,b(n)×Ｋg a,b （４）
（ΔθR(n)：１点火毎遅角量、Ｋg：遅角量反映係数）

２２は、ノック遅角量演算部であり、２１ａ，２１ｂの大きい方の１点火毎遅角量を積算し、点火時期のノック補正量を演算するが、ノック発生がない場合は、進角復帰する。これは次式により演算される。
θR(n)＝θR(n-1)＋max{ ΔθRa(n), ΔθRb(n) }−Ｋa （５）
（θR(n)：ノック補正量、Ｋa：進角復帰定数）
このように演算された、ノック補正量θRを用いて最終点火時期を次式により算出する。
θIG＝θB−θR(n) （６）
（θIG：最終点火時期、θB：基本点火時期）
以上で、１６〜２２によりデジタル信号処理による周波数解析結果を用いたノック検出及び点火時期を遅角することによりノックを抑制するノック制御を実現する処理方法について説明した。

次に図３の２３〜２５に示すノックセンサ装置の故障判定処理方法について説明する。２３のノック検出期間の最大振幅算出処理では、前述のノック検出期間のＡ／Ｄ変換値の最大値と最小値の差をノック検出期間の最大振幅とする。２４のノイズ検出期間の最大振幅算出処理ではノイズ検出期間のＡ／Ｄ変換値の最大値と最小値の差をノイズ検出期間の最大振幅とする。ここで、ノイズ検出期間のＡ／Ｄ変換値の取得方法は、前述の通り、一定の時間間隔（例えば、設定した１０μｓや２０μｓ等）毎にＡ／Ｄ変換が実行されるＡ／Ｄ変換手段１５において、このＡ／Ｄ変換を常時行っておいて、機械ノイズが発生する期間（例えば、ＡＴＤＣ８０°ＣＡからＡＴＤＣ１２０°ＣＡ等。以下、ノイズ検出期間という。）のデータのみ２４へ送るようにしても良いし、ノイズ検出期間のみＡ／Ｄ変換を行い２４へ送るようにしても良い。

このノイズ検出期間の設定方法について図４を参照して説明する。図４（１）ノックなし時でも、図４（２）ノックあり時でも、ノイズ検出期間は振動成分が大きく定常的に発生するノイズによる振動が発生している。このように、ノックの有無に応じて振動成分の大きさが変化せず、定常的にノイズ振動が発生する期間をノイズ検出期間として設定する。

次に２５に示すノックセンサ装置の故障判定方法について説明する。ノックセンサ装置が正常に動作している時には、前述の通り、図４（１）ノックなし時でも、図４（２）ノックあり時でも、ノイズ検出期間は振動成分が大きく定常的に発生するノイズによる振動が発生しているのに対し、ノック検出期間はノック発生時のみ大きな振動が発生するが、ノックなし時には振動成分は非常に小さい。また、ノック発生時には前述の通り点火時期を遅角補正するためノックが定常的に発生し続けることはなく、通常の運転状態では概ねノックなし状態と考えて差し支えない。そこで、ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差を取ると、図６（１）に示すように、ノック発生時を除きある程度大きい値を示す。

次にノックセンサ装置の断線・天絡・地絡等の故障が発生した場合には、図４（３）ノックセンサ故障時に示すように、ノック検出期間やノイズ検出期間に関わらず、ある程度の振動波形が重畳する。これは、ノックセンサが検出した振動ではなく、ノックセンサへの配線に重畳した電気ノイズである場合や、ＧＮＤやバッテリ電圧の変動に伴うノイズであると考えられる。このようなノイズはある程度の振幅があり、通常、アイドル時などの振動レベルが低い状態の振幅よりは大きいが、ノック検出期間やノイズ検出期間による差は少ない。そこで、正常時と同様にノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差を取ると、図６（２）に示すように常に比較的小さい値を示し、この差は正常時と故障時で明確な違いが生じるため、故障判定値を適切に設定することでノックセンサ装置の正常・故障判定が可能となる。また、ノックセンサの出力特性が圧電素子の劣化などにより大幅に低下した場合についても、ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差は小さくなるため、センサ特性の異常についても検出が可能である。

図３の２３〜２５におけるノックセンサ装置の故障検出処理の詳細を図５に示している。以下、図５を参照しながらノックセンサ装置の故障検出処理を詳細に説明する。なお、図５に示すノックセンサ装置の故障検出処理は、現行程のノック検出期間とノイズ検出期間のＡ/Ｄ変換が終了し、かつ、次行程のノック検出期間又はノイズ検出期間のＡ/Ｄ変換が開始するまでのタイミングで実施される。より具体的には、ＢＴＤＣ５°ＣＡ等のエンジン回転に同期して発生する割込み処理タイミング（但し、ノック検出期間にもノイズ検出期間にも重なっていないタイミング）、または、ノック検出期間とノイズ検出期間の遅い側でのＡ/Ｄ変換終了時に発生する割込み処理タイミングにおいて実施される。まず、ステップＳ１０１ではノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋを算出する。これは前述の通りノック検出期間における最大値と最小値の差により算出することができる。続いて、ステップＳ１０２ではノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓを算出する。これも前述の通り、ノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋと同様に、ノイズ検出期間における最大値と最小値の差により算出することができる。続くステップＳ１０３では、ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差が判定値より小さいかどうかを判定する。

ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差が判定値より小さい場合、ノックセンサ装置の故障と判定し、ステップＳ１０４では正常カウンタを初期値（例えば、５０行程）にリセットし、ステップＳ１０５では故障カウンタをダウンカウントする。また、ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差が判定値以上の場合、ノックセンサ装置は正常と判定し、ステップＳ１０６では故障カウンタを初期値（例えば、１００行程）にリセットし、ステップＳ１０７では正常カウンタをダウンカウントする。

続くステップＳ１０８において、故障カウンタ＝０であるかどうかを判定し、故障カウンタ＝０である場合には、故障判定が所定の行程数間（複数行程）継続したと判断してステップＳ１１０で故障判定フラグをセットする。故障カウンタ＝０でない場合には、ステップＳ１０９において、正常カウンタ＝０であるかどうかを判定し、正常カウンタ＝０である場合には、正常判定が所定の行程数間（複数行程）継続したと判断してステップＳ１１１で故障判定フラグをクリアする。なお、ステップＳ１０９において正常カウンタ＝０でない場合には、何も行わずに（故障判定フラグの状態を保持して）処理を終了する。

図５では、ノイズ検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅Ｍａｘ＿ｋｎｋの差を比較したが、ノイズ検出期間の振幅レベル（最大振幅の他に、例えば振幅の平均値、振幅の積分値）とノック検出期間の振幅レベル（最大振幅の他に、例えば振幅の平均値、振幅の積分値）の差を比較して同様に故障を判定してもよい。以上のようにして、ノックセンサ装置の故障判定が実施されることにより、従来は困難であったアイドル時などの極低回転域においても、ノックセンサの振動振幅レベルのモニタによりノックセンサ装置の故障判定が精度良く実施できるようになる。そのため、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサ装置の故障判定が実施できる。また、ノックセンサ故障判定手段は、複数行程継続して偏差が故障判定レベルを上回った場合にノックセンサは正常であると判定するようにしているので、故障状態から正常復帰した場合でも迅速に正常と判定することが可能となる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２は実施の形態１と同様な部分を有するため、違いのある部分について詳細に説明する。実施の形態１では、図４（１)ノッ
クなし時において、ノック検出期間とノイズ検出期間で振動成分の差が大きいことからノックセンサの正常判定を行うことを説明した。より具体的には、図５のステップＳ１０１乃至Ｓ１０３において、同一行程間におけるノック検出期間とノイズ検出期間の最大振幅の差を判定値と比較することでノックセンサの故障判定を行った。

しかしながら、エンジンの個体差やエンジン回転数によっては、図７（１）ノックなし時に示すように、ノック検出期間とノイズ検出期間における振動成分の差が大きい場合（図７（１）のＡ）や小さい場合（図７（１）のＢ）が生じる。このように振動成分の差にばらつきが生じるとノックセンサの故障判定精度の低下を招くおそれがあるので、実施の形態２では、２以上の所定行程数（複数行程）の間におけるノック検出期間の最大振幅の最小のものとノイズ検出期間の最大振幅の最大のものとの差を算出し、この差に応じてノックセンサの故障判定を行うことが特徴である。なお、このような場合においても、ノックセンサ故障時は図７（２）に示すように、ノイズ検出期間とノック検出期間との差は少ない。

実施の形態２の実現には、実施の形態１で説明した図５のステップＳ１０１及びＳ１０２を図８及び図９に示すように変更する。図５のステップＳ１０１に相当する図８のステップＳ４０１〜Ｓ４０３では、２以上の所定行程数の間におけるノック検出期間の最大振幅の最小のものＭａｘ＿ｋｎｋを算出する。まずステップＳ４０１では前行程までのノック検出期間の最大振幅格納値のシフトを行う。続くステップＳ４０２では、現行程でのノック検出期間の最大振幅の算出を行うが、この算出方法は図５のステップＳ１０１と同様に、ノック検出期間における最大値と最小値の差により算出する。続くステップＳ４０３では次式により所定行程数の間におけるノック検出期間の最大振幅の最小のものＭａｘ＿ｋｎｋを算出する。
Max_knk＝min{ Max_knk(n), Max_knk(n-1), ・・・ , Max_knk(n-(k-1)) }
（Max_knk(n)：行程nのノック検出期間の最大振幅、n：現行程数、k：２以上の所定行程
数）

なお、エンジン始動時には初期値として全てのMax_knk(n)にゼロを設定しておけば、始動後最初の行程のみ実施の形態１と同様になるが、２行程目以降では実施の形態２の効果が得られる。次に、図５のステップＳ１０２に相当する図９のステップＳ５０１〜Ｓ５０３では、２以上の所定行程数の間におけるノイズ検出期間の最大振幅の最大のものＭａｘ＿ｎｓを算出する。まずステップＳ５０１では前行程までのノイズ検出期間の最大振幅格納値のシフトを行う。続くステップＳ５０２では、現行程でのノイズ検出期間の最大振幅の算出を行うが、この算出方法は図５のステップＳ１０２と同様に、ノイズ検出期間における最大値と最小値の差により算出する。続くステップＳ５０３では次式により所定行程数の間におけるノイズ検出期間の最大振幅の最大のものＭａｘ＿ｎｓを算出する。
Max_ns＝max{ Max_ns(n), Max_ns(n-1), ・・・ , Max_ns(n-(k-1)) }
（Max_ns(n)：行程nのノイズ検出期間の最大振幅、n：現行程数、k：２以上の所定行程数）

なお、エンジン始動時には初期値として全てのMax_ns(n)にゼロを設定しておけば、始
動後最初の行程のみ実施の形態１と同様になるが、２行程目以降では実施の形態２の効果が得られる。これらの処理の後、図５のステップＳ１０３以降の処理を実施する。具体的には、図５のステップＳ１０３では、算出した２以上の所定行程数の間におけるノイズ検出期間の最大振幅の最大のものＭａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅の最小のものＭａｘ＿ｋｎｋとの差が判定値より小さいかどうかを判定し、判定結果に応じて図５のステップＳ１０４又はＳ１０６へと進む。以降は実施の形態１と同様である。

図５のステップＳ１０３では、算出した２以上の所定行程数の間におけるノイズ検出期間の最大振幅の最大のものＭａｘ＿ｎｓとノック検出期間の最大振幅の最小のものＭａｘ＿ｋｎｋとの差を比較したが、算出した２以上の所定行程数の間におけるノイズ検出期間の振幅レベル（最大振幅の他に、例えば振幅の平均値、振幅の積分値）の最大のものとノック検出期間の振幅レベル（最大振幅の他に、例えば振幅の平均値、振幅の積分値）の最小のものとの差を比較して同様に故障を判定してもよい。
以上のようにして、ノックセンサの故障判定が実施されることにより、ノイズ検出期間とノック検出期間における振動成分の差にばらつきが生じた場合でも、アイドル時などの極低回転域においてノックセンサ振動レベルのモニタにより、ノックセンサの故障判定が実施できるようになる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３について説明する。実施の形態３は実施の形態１及び２に対し、機械ノイズとして筒内直接噴射式インジェクタの駆動に起因するノイズに特化したことを特徴としており、基本的な実現手段は実施の形態１又は２と同様のため、違いのある部分について詳細に説明する。まず、図１に示すインジェクタ８はエンジン１のシリンダ内に直接噴射できるように設けられる。また、ノイズ検出期間については、図４では、例えば、ＡＴＤＣ８０°ＣＡからＡＴＤＣ１２０°ＣＡ等と固定値であることを説明したが、実施の形態３ではインジェクタの駆動に起因するノイズに特化しているため、インジェクタの駆動開始タイミングに同期して、図１０（１）（２）に示すようにノイズ検出期間を変更
することが特徴である。

なお、図１０では４気筒エンジンを例に説明する。インジェクタ駆動タイミングを可変制御する可変制御手段により、図１０（１）ではインジェクタの駆動開始タイミングがＢＴＤＣ２６０°ＣＡ（ＢＴＤＣ：Before Top Death Center）に設定されると、インジェ
クタの駆動による機械ノイズはＡＴＤＣ１００°ＣＡの近傍に発生するので、ノイズ検出期間としてはこれを十分に含むよう、前記可変制御手段により制御されたインジェクタ駆動タイミングに応じて、例えば、ＡＴＤＣ８０°ＣＡからＡＴＤＣ１２０°ＣＡに第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を設けたものである。

また、図１０（２）ではインジェクタの駆動開始タイミングがＢＴＤＣ２２０°ＣＡに設定されると、インジェクタの駆動による機械ノイズはＡＴＤＣ１４０°ＣＡの近傍に発生するので、ノイズ検出期間としてはこれを十分に含むよう、前記可変制御手段により制御されたインジェクタ駆動タイミングに応じて、例えば、ＡＴＤＣ１２０°ＣＡからＡＴＤＣ１６０°ＣＡに第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を設けたものである。このように、実施の形態３では、ノイズ検出期間をインジェクタの駆動タイミングに応じて変更することが特徴である。

以上のようにして、機械ノイズとしてインジェクタの駆動に起因するノイズに特化し、更にインジェクタの駆動タイミングに応じてノイズ検出期間を設定することで、より正確に機械ノイズを検出し、これに基づいてノックセンサの故障判定が実施されることにより、アイドル時などの極低回転域においてもノックセンサ振動レベルのモニタにより、ノックセンサの故障判定が実施できるようになる。

実施の形態４．
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４は実施の形態１及び２に対し、機械ノイズとして吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズに特化したことを特徴としており、基本的な実現手段は実施の形態１又は２と同様のため、違いのある部分について詳細に説明する。ノイズ検出期間については、図４では、例えば、ＡＴＤＣ８０°ＣＡからＡＴＤＣ１２０°ＣＡ等と固定値であることを説明したが、実施の形態４では吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズに特化しているため、吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングに同期して、図１１（１）（２）に示すようにノイズ検出期間を変更することが特徴である。

なお、図１１では４気筒エンジンの吸気バルブの閉駆動に起因するノイズを例に説明する。具体的には、吸気バルブの閉タイミングを可変制御する可変動吸気バルブ機構７により、図１１（１）では吸気バルブの閉タイミングがＡＢＤＣ７０°ＣＡ（ＡＢＤＣ：After Bottom Death Center）に設定されると、吸気バルブの閉駆動による機械ノイズはＡＴＤＣ７０°ＣＡの近傍に発生するので、ノイズ検出期間としてはこれを十分に含むよう、前記可変動吸気バルブ機構７により制御された吸気バルブの閉タイミングに応じて、例えば、ＡＴＤＣ７０°ＣＡからＡＴＤＣ１２０°ＣＡに、第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を設けたものである。なお、前述の実施の形態３では機械ノイズの発生タイミングをノイズ検出期間のほぼ中央としたが、これはインジェクタの駆動に起因するノイズはノックセンサによりほぼ駆動タイミング通りに観測されるのに対し、吸気バルブや排気バルブの開閉駆動に起因するノイズは、カムのクリアランスなどの影響により２０〜３０°ＣＡ程度遅れて観測される場合が多いためである。

また、吸気バルブの閉タイミングを可変制御する可変動吸気バルブ機構７により、図１１（２）では吸気バルブの閉タイミングがＡＢＤＣ５０°ＣＡに設定されると、吸気バルブの閉駆動による機械ノイズはＡＴＤＣ５０°ＣＡの近傍に発生するので、ノイズ検出期間としてはこれを十分に含むよう、前記可変動吸気バルブ機構７により制御された吸気バルブの閉タイミングに応じて、例えば、ＡＴＤＣ５０°ＣＡからＡＴＤＣ１００°ＣＡに、第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を設けたものである。なお、図１１（２）のようにノック検出期間とノイズ検出期間が連続又は重複する場合には、ノック検出期間のＡ／Ｄ変換とノイズ検出期間のＡ／Ｄ変換を共通で実施し、Ａ／Ｄ変換後にノック検出期間とノイズ検出期間に分配する方が容易である。

前記では、吸気バルブの閉タイミングを例に説明したが、吸気バルブの開タイミングを可変制御する可変動吸気バルブ機構の場合も同様に処理することができる。さらに、排気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変動排気バルブ機構についても、前記可変動排気バルブ機構により制御された排気バルブの開閉タイミングに応じて第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を備えることにより同様に処理することができる。このように、実施の形態４では、ノイズ検出期間を吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングに応じて設定することが特徴である。

以上のようにして、機械ノイズとして吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズに特化し、更に吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングに応じてノイズ検出期間を設定することで、より正確に機械ノイズを検出し、これに基づいてノックセンサの故障判定が実施されることにより、アイドル時などの極低回転域においてもノックセンサ振動レベルのモニタにより、ノックセンサの故障判定が実施できるようになる。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５は実施の形態３及び４をエンジンの運転状態に応じて切り換えることを特徴としている。具体的には、インジェクタの駆動による起因するノイズはエンジン回転速度に関わらず一定の大きさであるが、吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズはエンジン回転速度が高くなるほど大きくなる傾向にある。そこで、インジェクタの駆動による起因するノイズより吸気バルブ又は排気バルブの駆動に起因するノイズの方が大きくなるエンジン回転速度を予め設定値として記憶しておき、エンジン回転速度がその設定値より低い場合には、インジェクタの駆動による起因するノイズを、エンジン回転速度がその設定値より高い場合には吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズを選択して切換ることで、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。

実施の形態５について、図１２を参照にしながら詳細を説明する。まず、ステップＳ２０１では、現在のエンジン回転速度ｎｅを算出する。これは前述の図１のクランク角センサ１１が検出する所定のクランク角度毎のエッジ間隔に基づいて算出することができる。続くステップＳ２０２では、エンジン回転速度ｎｅが設定値より小さいかどうかを判断する。この設定値としては、前述の通りインジェクタの駆動による起因するノイズより吸気バルブ又は排気バルブの開閉駆動に起因するノイズの方が大きくなるエンジン回転速度（例えば、２０００[ｒ／ｍｉｎ]）を設定しておく。

ここでエンジン回転速度ｎｅが設定値より小さいと判定された場合にはステップＳ２０３に進んで実施の形態３と同様にインジェクタ駆動タイミングに応じて第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間（ノイズ検出期間）を設定し、エンジン回転速度ｎｅが所定値以上と判定された場合にはステップＳ２０４に進んで実施の形態４と同様に吸気バルブの開閉タイミングに応じて第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間（ノイズ検出期間）を設定する手段を設ける。これにより、エンジン回転速度が設定値より低い場合には、インジェクタの駆動による起因するノイズを、エンジン回転速度が設定値より高い場合には吸気バルブの開閉駆動に起因するノイズを選択して切換ることが可能となる。

なお、ここでは吸気バルブの開閉駆動に起因する場合について説明したが、排気バルブの開閉駆動に起因する場合についても同様に、ステップＳ２０４でノイズ検出期間を排気バルブの開閉タイミングに応じて設定することで実現できる。以上の処理の後で、実施の形態１及び２で説明した図５に示すノックセンサの故障検出処理を実施することでエンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。また、エンジン回転速度に応じてノイズ原因の影響度合いが変化する場合においても、正確にノックセンサの故障を検出することができる。

実施の形態６．
次に、実施の形態６について説明する。実施の形態６は実施の形態１をエンジン回転速度が低い運転領域に適用することを特徴としている。つまり、エンジン回転速度が高い領域では従来技術にてノックセンサの故障判定は可能であるので、実施の形態１をエンジン回転速度が低い運転領域に適用し、エンジン回転速度が高い領域では従来技術、例えば、特許文献１にあるエンジン回転速度に応じた振動レベルが所定値以下の場合に故障と判定する方法にてノックセンサの故障判定を実施するものである。

具体的には、正常状態での振動レベルが、ノックセンサ経路の断線時に重畳するノイズによる振動レベルより大きくなる回転速度を予め設定値として記憶しておき、エンジン回転速度がその設定値より低い場合には、実施の形態１を、エンジン回転速度がその設定値より高い場合には従来技術を選択して切換ることで、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。なお、従来技術の一例として特許文献1の方法をあげたが、他の方法を用いてもよい。このようにすることで、高回転域
では従来から実績のある技術により故障判定を実施しつつ、従来の技術ではできなかった低回転域での故障判定を行うことができるようになり、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。また、エンジン回転速度に応じてノイズ原因の影響度合いが変化する場合においても、正確にノックセンサの故障を検出することができる。

実施の形態７．
次に、実施の形態７について説明する。実施の形態７は実施の形態２及び実施の形態３をエンジン回転速度が低い運転領域に適用することを特徴としている。つまり、エンジン回転速度が高い領域では従来技術にてノックセンサの故障判定は可能であるので、実施の形態２及び実施の形態３をエンジン回転速度が低い運転領域に適用し、エンジン回転速度が高い領域では従来技術にてノックセンサの故障判定を実施するものである。具体的には、インジェクタの駆動による起因するノイズはエンジン回転速度に関わらず一定の大きさであり、エンジン回転速度が低い場合にはノックなし状態のノック検出期間のノイズレベルより大きいが、エンジン回転速度が高くなるとエンジン自体の振動によるノイズレベルの方が大きくなってしまう傾向にある。

そこで、インジェクタの駆動による起因するノイズよりエンジン自体の振動によるノイズの方が大きくなるエンジン回転速度を予め設定値として記憶しておき、エンジン回転速度がその設定値より低い場合には、２以上の所定行程数の間のノイズ検出期間に計測されるインジェクタの駆動による起因するノイズの最大のものとノック検出期間に計測されるノイズの最小のものの差により故障検出を行い、エンジン回転速度が設定値より高い場合には、ノック検出期間をノイズ検出期間とし、２以上の所定行程数の間のノック検出期間に計測されるノイズの最大のものと最小のものとの差により故障検出を行うことで、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。なお、エンジン回転速度が設定値より高い場合にノック検出期間をノイズ検出期間とすると、特許文献２に示す方法と同じ方法となるが、エンジン回転速度が設定値より高い場合
には従来技術でノックセンサの故障判定が実施可能であるので、一例として特許文献２の方法をあげたが、他の方法を用いてもよい。

実施の形態７について、図１３を参照にしながら詳細を説明する。まず、ステップＳ３０１では、現在のエンジン回転速度ｎｅを算出する。これは前述の図１のクランク角センサ１１が検出する所定のクランク角度毎のエッジ間隔に基づいて算出することができる。続くステップＳ３０２では、エンジン回転速度ｎｅが設定値より小さいかどうかを判断する。この設定値としては、前述の通りインジェクタの駆動による起因するノイズの振動レベルよりエンジン自体の振動によるノイズの振動レベルの方が大きくなるエンジン回転速度（例えば、２０００[ｒ／ｍｉｎ]）を設定しておく。ここでエンジン回転速度ｎｅが設定値より小さいと判定された場合には、ステップＳ３０３に進んで実施の形態３と同様にインジェクタ駆動タイミングに応じたクランク角度期間（ノイズ検出期間）に設定し、エンジン回転速度ｎｅが設定値以上と判定された場合にはステップＳ３０４に進んでノック検出期間をノイズ検出期間に設定する。その後で、実施の形態２で説明した図５に示すノックセンサの故障検出処理を実施する。以上により、エンジン回転速度が設定値より低い場合にはインジェクタの駆動により起因するノイズによるノックセンサの故障判定を実施し、エンジン回転速度が設定値より高い場合にはエンジン自体の振動ノイズによるノックセンサの故障判定（例えば、特許文献２の方法。他の従来技術を用いてもよい）を実施することで、エンジン回転速度の全領域において良好にノックセンサの故障判定が実施できるようになる。

１エンジン２スロットルバルブ
３スロットル開度センサ４エアフロセンサ
５サージタンク６インマニ圧センサ
７可変吸気バルブ機構８インジェクタ
９点火コイル１０点火プラグ
１１クランク角センサ１２ノックセンサ
１３ＥＣＵ

Claims

内燃機関のノックによる振動を検出するためのノックセンサと、
前記ノックセンサの出力信号をノックによる振動が発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、
前記ノックセンサの出力信号を定常的に機械ノイズが発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄ変換手段と、
前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルと前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルとの偏差を算出し、複数行程継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたことを特徴とするノックセンサ装置。
前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルを表すものとして最大振幅をとり、前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルを表すものとして最大振幅をとり、前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの最大振幅と前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの最大振幅との偏差を算出し、複数行程継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のノックセンサ装置。
内燃機関のノックによる振動を検出するためのノックセンサと、
前記ノックセンサの出力信号をノックによる振動が発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第１のＡ／Ｄ変換手段と、
前記ノックセンサの出力信号を定常的に機械ノイズが発生するクランク角度期間において所定時間毎にＡ／Ｄ変換する第２のＡ／Ｄ変換手段と、
前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルである第１振幅レベルと前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの振幅レベルである第２振幅レベルとを各行程毎に複数行程に亘ってそれぞれ記憶しておき、
前記第２振幅レベルの前記複数行程のうち最大のものと前記第１振幅レベルの前記複数行程のうち最小のものとの偏差を算出し、複数回継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたことを特徴とするノックセンサ装置。
前記第１のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの第１振幅レベルを表すものとして第１最大振幅をとり、前記第２のＡ／Ｄ変換手段でＡ／Ｄ変換されたデータの第２振幅レベルを表すものとして第２最大振幅をとり、前記第１最大振幅と前記第２最大振幅とを各行程毎に複数行程に亘ってそれぞれ記憶しておき、
前記第２の最大振幅の前記複数行程のうち最大のものと前記第１の最大振幅の前記複数行程のうち最小のものとの偏差を算出し、複数回継続して前記偏差が故障判定レベルを下回った場合に前記ノックセンサの故障と判定するノックセンサ故障判定手段を備えたことを特徴とする請求項３記載のノックセンサ装置。
前記ノックセンサ故障判定手段は、複数行程又は複数回継続して前記偏差が故障判定レベルを上回った場合に前記ノックセンサは正常であると判定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のノックセンサ装置。
エンジン回転速度が設定値より低い運転領域において、前記ノックセンサ故障判定手段での故障判定を実施することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のノックセンサ装置。
インジェクタ駆動タイミングを可変制御する可変制御手段を備えると共に、
前記可変制御手段により制御されたインジェクタ駆動タイミングに応じて前記第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のノックセンサ装置。
吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変動バルブ機構を備えると共に、
前記可変動バルブ機構により制御された吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングに応じて前記第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のノックセンサ装置。
インジェクタ駆動タイミングを可変制御する可変制御手段と、
吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変動バルブ機構とを備えると共に、
エンジン回転速度が設定値より低い運転領域では、前記可変制御手段により制御されたインジェクタ駆動タイミングに応じて前記第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定し、
エンジン回転速度が前記設定値より高い運転領域では、前記可変動バルブ機構により制御された吸気バルブ又は排気バルブの開閉タイミングに応じて前記第２のＡ／Ｄ変換手段がＡ／Ｄ変換するクランク角度期間を設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のノックセンサ装置。