JPH0742921B2 - 内燃機関のノツキング制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関のノッキング制御装置に関し、詳細に
は内燃機関の発生するバックグランドノイズの影響を除
去してノッキングを的確に検出するノッキング制御装置
に関する。

（従来の技術） 一般に、内燃機関のノッキング制御装置は、機関の異常
燃焼に伴って発生するノッキングを圧力センサ等のノッ
キング検出手段で検出し、この検出結果を所定の比較基
準値と比較してノッキングの発生の有無を判断してい
る。そして、この判断結果に基づいて点火時期を調整し
てノッキングを回避するとともに適切な燃焼を行わせる
ことを目的としている。

この場合、ノッキング検出手段はノッキングのみを検出
するのではなく、内燃機関の発生するバックグランドノ
イズ、例えば、正常な燃焼に伴う気筒内圧力変化、加減
速に伴う圧力変化等を含んでおり、これらのバックグラ
ンドノイズは一定ではなく、内燃機関の運転状態によっ
て経時変化する。また、ノッキング検出手段の出力特性
にもバラツキがあり、バックグランドノイズとして作用
する。

このバックグランドノイズよりノッキングをいかに的確
に判別するかがノッキング回避にとって重要な問題とな
る。

従来、この問題点に着眼して提案されたものとしては、
例えば、特開昭59−39972号公報に記載されたものが知
られている。このノッキング制御装置は、所定クランク
角期間のノッキング検出手段の出力の平均値をバックグ
ランドノイズとして採用し、このバックグランドノイズ
のｋ（定数）倍を第１比較基準値とする。そして、所定
クランク角期間のノッキング検出手段の出力の最大値を
第１比較基準値と比較し、最大値が第１比較基準値より
大きいと、ノッキング発生と判断して点火時期を遅角さ
せる。また、ノッキング検出手段の出力の最大値をあら
かじめ定めた固定値である第２比較基準値と比較し、最
大値が第２比較基準値より大きいと、ノッキング発生と
判断して点火時期を遅角させる。したがって、バックグ
ランドノイズの影響を防止しつつ、ノッキングを検出す
ることができるとともに、バックグランドノイズとして
採用している平均値が上昇して第１比較基準値よりも大
きくなり過ぎた場合においても、ノッキングの検出を第
２比較基準値に基づいて行うことができる。そして、バ
ックグランドノイズとして採用しているノッキング検出
手段の出力の平均値は、ノッキング検出手段の出力波形
を整流回路で整流し、積分回路で平均した値である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の内燃機関のノッキング
制御装置にあっては、比較基準値としてノッキング検出
手段の出力の平均値に一定数を乗じた値を採用している
ため、機関の高回転域においては、ノッキングが発生し
ていなくても、高レベルのバックグランドノイズが長期
間継続され、また、運転条件によりバックグランドノイ
ズのレベルが急激に変化するため、比較基準値が高く演
算されることとなり、バックグランドノイズを区別して
ノッキングを的確に検出することができない。その結
果、ノッキングを確実に回避することができず、機関の
最大トルクのかせぎ代が小さくなり、また、ノック音を
発生させるだけでなく、機関の耐久性を悪化させるとい
う問題点があった。

（発明の目的） そこで、本発明は、ノッキング検出手段の所定クランク
角期間の出力を定量化するとともに、さらに重みづけし
て平滑化した値をバックグランドノイズとし、この平滑
値を定量値から減算することにより、ノッキングをバッ
クグランドノイズから分離し、この演算値を所定の比較
基準値と比較することにより、ノッキングの大きさを的
確に判別して、ノッキングを精度よく回避することを目
的としている。

（発明の構成） 本発明による内燃機関のノッキング制御装置は、その基
本概念図を第１図に示すように、内燃機関のノッキング
を検出するノッキング検出手段ａと、ノッキング検出手
段の出力からエンジンのノッキング成分を抽出するとと
もに、該抽出値を所定クランク角期間の間積分して定量
化する定量化手段ｂと、定量化手段の出力を重みづけし
て平滑化する平滑化手段ｃと、定量化手段の出力から平
滑化手段の出力を減算する演算手段ｄと、演算手段の演
算結果を所定の比較基準値と比較し、ノッキングの大き
さを判別する判別手段ｅと、判別手段の判別結果に基づ
いてノッキングを回避するノッキング回避手段ｆと、を
備えたことを特徴とするものである。

（作用） 平滑化手段の出力は、エンジン回転数に追随してそのレ
ベルが変化するため、単に、この平滑化手段の出力を判
定基準値として用いただけでは、たとえば、低中回転時
に判定レベルを適合させると、高回転時に判定レベルが
上昇し過ぎてしまい、中程度のノッキングを見逃してし
まうという欠点があるが、定量化手段の出力から平滑化
手段の出力を減算した値とノッキングレベルとは、ほぼ
比例関係（第11図参照）にあり、かつ、この関係は、エ
ンジン回転数の高低にほとんど影響されないから、上記
特徴的な構成を備えることにより、エンジン回転数にか
かわらず、常に的確なノッキング判定が行われる、とい
う格別の作用が得られる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２〜第11図は本発明の第１実施例を示す図であり、本
実施例は、多気筒内燃機関に適用したものである。

まず、構成を説明すると、第２図において、１は内燃機
関のシリンダヘッド２に各気筒毎に取り付けられた点火
プラグであり、各点火プラグ１はシリンダヘッド２との
間にノッキング検出手段としての座金型の圧力センサ３
を挾持している。圧力センサ３は圧電素子で形成され、
気筒内圧力の変化を電荷量の変化として出力する。圧力
センサ３の出力はコントロールユニット４に入力されて
おり、コントロールユニット４はチャージアンプ５、マ
ルチプレクサ６、バンドパスフィルタ７、整流器８、積
分器９およびマイクロコンピュータ10により構成されて
いる。

チャージアンプ５は、例えば第３図に示すように、コン
デンサ（例えば、0.01μＦ）11、抵抗（例えば、1MΩ）
12およびオペアンプ13で構成されており、圧力センサ３
の電荷量の変化を電圧変化として出力する。このチャー
ジアンプ５は各気筒毎に設けられた圧力センサ３の数に
対応した数だけ備えられている。

マルチプレクサ６は各チャージアンプ５より入力される
信号をマイクロコンピュータ10からの信号に基づいて各
圧力センサ３で所定のクランク角期間検出した値を時分
割して出力しており、このクランク角期間は各気筒毎の
ノッキングとバックグランドノイズを十分検出できる期
間（例えば、圧縮上死点前70゜から圧縮上死点後50゜の
期間）に設定されている。

バンドパスフィルタ７は、５〜20KHz程度のバンドパス
フィルタであり、ノッキングによる信号のみを燃焼によ
る低周波の圧力変化から分離している。

整流器８はバンドパスフィルタ７を通過した信号を整流
する。

積分器９は整流器８で整流された信号を所定のクランク
角期間のみ積分し、積分開始および終了はマイクロコン
ピュータ10からの信号により制御される。本実施例では
上死点後10゜で積分を開始し、上死点後50゜で積分を終
了する。上記チャージアンプ５、マルチプレクサ６、バ
ンドパスフィルタ７、整流器８および積分器９は全体と
して所定クランク角期間の圧力センサ３の出力を定量化
する定量化手段101を構成している。

マイクロコンピュータ10は、A/D変換器14、I/Oポート1
5、CPU16、RAM17およびROM18で構成され、平滑化手段、
演算手段、判別手段およびノッキング回避手段として作
用する。A/D変換器14には前記積分器９からの信号が入
力され、A/D変換器14は積分値をディジタル信号に変換
してI/Oポート15に出力する。I/Oポート15はA/D変換器1
4からの信号を取り込むとともに、図外のクランク角セ
ンサからのクランク角を表示する信号等を取り込み、前
記マルチプレクサ６および積分器９に制御信号を出力す
る。また後述するパワートランジスタ19に点火信号を出
力するCPU16はROM18に書き込まれているプログラムに従
ってI/Oポート15より必要とする外部データを取り込ん
だり、また、RAM17との間でデータの授受を行ったりし
ながら演算処理したデータをI/Oポート15へ出力する。R
OM18はCPU16を制御するプログラムを格納しており、RAM
17は、例えば、不揮発性メモリにより構成されて演算に
使用するデータをマップ等の形で記憶するとともに、そ
の記憶内容を機関の停止後も保持する。

パワートランジスタ19はコントロールユニット４から点
火信号が入力されると、ONとなり、点火コイル20の一次
電流が流れる。このパワートランジスタ19のON、OFFに
より点火コイル20で昇圧された高電圧が、配電器21で選
定された気筒の点火プラグ１に供給され、該気筒の混合
気が点火される。

次に作用を説明する。

圧力センサ３の出力信号は、第４図（ａ）、（ｂ）に示
すように、燃焼に伴う筒内圧力変化の波形に高周波のノ
ッキング波形が乗ったものとなっている。したがって、
まず、この高周波の波形を取り出さなくてはならない。
また、この高周波の中にノイズが含まれており、このバ
ックグランドノイズの中からノッキング波形を判別しな
くてはならない。

本実施例では、燃焼に伴う大きな波形より高周波の波形
を取り出し、これを定量化するまでの第１の処理をチャ
ージアンプ５から積分器９までの定量化手段101で行っ
ており、高周波のバックグランドノイズの中よりノッキ
ングを判別して点火時期を制御する第２の処理をマイク
ロコンピュータ10で行っている。

まず、第１の処理について説明する。

各圧力センサ３の出力波形は、第４図（ａ）に示すよう
に、燃焼に伴う低周波の波にノッキング等による高周波
の波が乗っており、この低周波の波は該気筒で１行程当
たり１回発生する。チャージアンプ５は圧力センサ３の
出力を電圧信号に変換し、マルチプレクサ６で、マイク
ロコンピュータ10からの指示に従って、所定クランク角
期間（例えば、圧縮上死点前70゜から圧縮上死点後50゜
の期間）毎に各気筒の圧力センサ３を時分割して、第４
図（ｂ）の波形とする。次いで、バンドパスフィルタ７
で高周波の波だけを取り出して第４図（ｃ）の波形と
し、整流器８で半波整流して第４図（ｄ）の波形とす
る。この整流した波を積分器９で積分して第４図（ｅ）
の波形とし、高周波成分を定量化する。したがって、燃
焼による低周波の大きな圧力変化からノッキング等によ
る高周波の圧力変化のみを検出し、かつ定量化すること
ができる。なお、第４図（ｃ）、（ｄ）中にパルス状の
大きな波形があらわれているが、これは、マルチプレク
サ６での切換えによるショックで発生するものである。

次に、第２の処理について説明する。

第２の処理はマイクロコンピュータ10内で行われるた
め、第５図〜第７図に示すフローチャートに従って説明
する。

まず、第５図のイニシャライズルーチンについて説明す
る。

機関のイグニッションスイッチがONとなると、CPU16は
ステップM₁でRAM17をクリアして初期データをセットす
る。次いで、説明およびステップ図は省略するが、燃料
噴射量等の演算を行って、ステップM₂で基本点火時期Ta
をあらかじめROM18内に記憶されたデータテーブルより
ルックアップする。この基本点火時期Taは、例えば、機
関回転速度と基本噴射量をパラメータとしてあらかじめ
ROM18内に記憶されている。ステップM₃でこの基本点火
時期Taを冷却水温度に基づいて補正して点火時期Tavを
演算する。

次に、第６図に示す割込み処理ルーチンについて説明す
る。ステップR₁でクランク角が圧縮上死点後50゜か否か
を判別し、圧縮上死点後50゜であるときには、ステップ
R₂で第７図に示す圧縮上死点後50゜の割込み処理ルーチ
ンを実行する。ステップR₁でクランク角が圧縮上死点後
50゜でないときは、ステップR₃で、クランク角が圧縮上
死点後10゜であるか否かを判別し、圧縮上死点後10゜で
あるときには、ステップR₄で前記積分器９をセットして
整流器８からの信号を積分する。

次に、第７図に示す圧縮上死点後50゜の割込み処理ルー
チンについて説明する。

ステップP₁で、クランク角センサからの信号により、圧
縮上死点後50゜にあるのが何番気筒であるかを判別、す
なわち気筒判別を行い、ステップP₂で当該、圧縮上死点
後50゜にある気筒の積分器９の出力をA/D変換器14に出
力してディジタル値に変換（A/D変換）する。ステップP
₃で、積分器９の積分結果ＳをRAM17の気筒番号ｎに相当
するアドレスに該気筒番号ｎのデータSnとして記憶し、
ステップP₄で、データSnより後述する平滑値SAnを減算
して差値DSn（DSn＝Sn−SAn）を求める。ステップP
₅で、比較基準値S/Lをルックアップする。比較基準値S/
Lは機関回転数ＮをパラメータとしてあらかじめROM18内
に記憶されており、例えば、第８図に示すように与えら
れる。ステップP₆で差値DSnを比較基準値S/Lと比較し、
DSn≦S/Lのときには、ノッキングは発生していないと判
別して、ステップP₇で差値DSnを比較基準値S/Lの1/2倍
の値（1/2×S/L）と比較する。DSn≧1/2×S/Lのときに
は、そのままステップP₈に進み、DSn＜1/2S/Lのときに
は、ステップP₉で当該気筒の点火時期補正量TcnをTcn＝
Tcn−k₁（k₁は例えば0.05゜〜0.2゜程度）として点火時
期Tavを進角させる。

ステップP₆でDSn＞S/Lのときには、ノッキングが発生し
ていると判別してステップP₁₀で、差値DSnを比較基準値
S/Lの４倍の値（４×S/L）と比較し、ノッキングの大き
さを判別する。DSn≦４×S/Lのときには、ノッキングは
大して大きくないと判断して、ステップP₁₁で、点火時
期補正量TcnをTcn＝Tcn＋k₂（k₂は例えば１゜程度）と
して点火時期Tavを少し遅角させ、DSn＞４×S/Lのとき
には、ノッキングは相当に大きいと判断して、ステップ
P₁₂で、点火時期補正量TcnをTcn＝Tcn＋k₃（k₃は、例え
ば、２〜４゜程度）として点火時期Tavを大きく遅角さ
せる。したがって、ノッキングレベルの大きさに対応し
て点火時期Tavを制御することができる。

ステップP₈で、点火時期補正量Tcnが負の値か否かを判
別し、負の値のときには、ステップP₁₃で、点火時期補
正量Tcnを零（Tcn＝０）として、ノッキングが発生して
いない場合に、進角しすぎて、燃費の悪化、排気性能の
悪化等を生じるのを防止している。ステップP₁₄で、点
火時期補正量Tcnを上限値ULと比較し、Tcn＞ULのときに
は、ステップP₁₅で、Tcn＝ULとして、遅角しすぎるのを
防止している。なお、上限値ULとしては、機関出力等へ
の影響も考慮して、10゜〜20゜程度を設定する。

ステップP₁₆で、前記平滑値SAnを次式により演算する。

SAn＝Sn×（1/16）＋SAn＋（15/16） ……（１） （１）式から明らかなように、今回実行時のデータSnが
大きな値（ノッキングが大きい）であっても、平滑値SA
nは大きく変化しないので、機関の高回転域において、
高レベルのバックグランドノイズが長期間継続されて
も、平滑値SAnを低く設定でき、ステップP₄で演算する
差値DSnとステップP₅で行う比較基準値S/Lとの比較によ
り、ノッキングを的確に検出することができる。

ステップP₁₇で、当該気筒の点火時期Tavnを次式により
演算する。

Tavn＝Tav−Tcn ……（２） ここで、Tavは、第５図のイニシャライズ処理において
求めた点火時期である。

ステップP₁₈で、積分器９をリセットし、ステップP
₁₉で、マルチプレクサ６を次の気筒に切換え、本ルーチ
ンは終了する。

上記処理が各気筒毎に行われ、各気筒毎に点火時期を制
御することができる。

上記作用をグラフを用いて説明すると、いま、ノッキン
グレベルを、ノッキングの無い状態から大きなノッキン
グレベル（（イ）〜（ニ））まで、５段階に変えたと
き、A/D変換器14でディジタル変換したデータＳの大き
さと、データＳの累積頻度との関係は、第９図に示すよ
うに、ノッキングの大きさに伴ってデータＳの変動が大
きくなる。第９図中、×印はデータＳの大きい方から10
％目のデータＳの大きさを示しており、以下、10％Ｓと
いう。この10％Ｓは安定したノッキング制御を行う場合
の比較基準値S/Lを選定する目安となる。

この10％Ｓは、第10図に示すように、機関の回転数が低
いときには、ほぼ原点を通る特性であるのに対し、回転
数が高いときには、同じノッキングレベルであっても10
％Ｓの大きさには大きな変動幅があり、かつ、ノッキン
グの無い状態でもデータＳは大きな値となる。したがっ
て、従来のように、このデータＳを定数倍して比較基準
値と比較しても、ノッキングの発生を的確に検出するこ
とはできない。ところが、データＳから平滑値SAを減算
した値（Ｓ−SA）の10％値（10％（Ｓ−SA））は、第11
図に示すように、高回転数の場合においても変動幅が小
さく、かつ、原点近くを通る特性となり、比較基準値S/
Lとの比較においてノッキングをバックグランドノイズ
と分離して的確に検出することができる。

第12図は本発明の第２実施例を示すフローチャートであ
り、本実施例はデータSnを平滑値SAnと比較して平滑値S
Anを低い値に設定している。

第12図の説明において、ステップP₁からステップP₁₄ま
で、および、ステップP₁₇から以降は第１実施例の第７
図と同様であるので説明を省略する。ステップP₁₀₁で、
データSnと平滑値SAnを比較し、Sn＞SAnのときには、ス
テップP₁₀₂で、平滑値SAnを前記第（１）式に従って演
算する。Sn≦SAnのときには、ステップP₁₀₃で、平滑値S
Anを次式に従って演算する。

SAn＝Sn×（1/4）＋SAn×（3/4） ……（３） すなわち、データSnが前回実行時の平滑値SAnより大き
いときには、平滑値SAnの演算に際して、データSnの影
響を小さくし、データSnが小さいときには、平滑値SAn
の演算に大きく影響させて、平滑値SAnが大きい方へ移
行するときには緩やかに移行させ、小さい方へ移行する
ときには速く移行させている。したがって、平滑値SAn
を、第13図に破線で示すように、一点鎖線で示す第１実
施例の平滑値SAnより小さく設定することができ、ノッ
キングの検出感度をより一層向上させることができる。

第14図は本発明の第３実施例を示すフローチャートであ
り、本実施例は差値DSnを比較基準値S/Lと比較して平滑
値SAnを低い値に設定している。

第14図において、ステップP₁からステップP₁₄まで、お
よびステップP₁₇以降は第１実施例の第７図と同様であ
るので説明を省略する。ステップP₁₁₁において、差値DS
nと比較基準値S/Lを比較し、DSn≦S/Lのときには、ノッ
キングが発生していないときであり、ステップP₁₁₂で、
前記第（１）式に従って平滑値SAnを演算し、DSn＞S/L
のときには、ノッキング発生時であるので、このときの
データSnは平滑値SAnの演算に使用しないで、ステップP
₁₁₃で、前回実行時の平滑値SAnを採用する。したがっ
て、ノッキング発生時の大きなデータSnに影響されず、
平滑値SAnを、第13図に２点鎖線で示すように、小さな
値に設定することができ、ノッキングの検出感度をより
一層向上させることができる。

上記、第１実施例、第２実施例および第３実施例の差値
DSnを比較すると、第15図に示すように、差値DSnは、第
１実施例、第３実施例、第２実施例の順でその傾きが大
きくなる。したがって、例えば、ノッキングの発生して
いない状態（イ）から急に小さなノッキングが発生
（ロ）した場合、第１実施例に比較して、第３実施例、
第２実施例の順でノッキングの感度が良好なものとな
る。なお、第15図中、（イ）〜（ニ）は第９図と同様で
ある。

なお、上記各実施例においては、データSnと平滑値SAn
の差値DSnを比較基準値S/Lと比較してノッキングレベル
を判別しているが、比較基準値S/Lに平滑値SAnを加算
し、この加算値（S/L＋SAn）とデータSnとを比較するよ
うにしてもよい。これは、Sn−SAn＞S/Lと、Sn＞S/L＋S
Anとは同じ比較動作になるからである。

また、ノッキングを回避するのに点火時期を変更してい
るが、これに限るものでないことはいうまでもない。

（効果） 本発明によれば、エンジン回転数にかかわらず、常に的
確なノッキング判定を行うことができ、ノッキングを精
度よく回避できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の内燃機関のノッキング制御装置の基本
概念図である。第２図から第11図は本発明の第１実施例
を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３図はそ
のチャージアンプを示す回路図、第４図はその定量化手
段における作用を示す波形図、第５図〜第７図はその作
用を示すフローチャートであり、第５図はイニシャライ
ズ処理のフローチャート、第６図は割込み処理のフロー
チャート、第７図は圧縮上死点後50゜の割込み処理のフ
ローチャート、第８図はマイクロコンピュータのROM内
にあらかじめ機関回転数をパラメータとして記憶された
比較基準値のデータテーブル、第９図はデータＳとデー
タＳの累積頻度の関係を示す図、第10図はノッキングレ
ベルと10％Ｓの大きさとの関係を示す図、第11図はノッ
キングレベルと10％（Ｓ−SA）との関係を示す図であ
る。第12図は本発明の第２実施例の作用を示すフローチ
ャートである。第13図は各実施例の平滑値SAnを比較基
準値S/LおよびデータSnとともに示す図である。第14図
は本発明の第３実施例の作用を示すフローチャートであ
る。第15図は各実施例の差値DSn（DSn＝Sn−SAn）を10
％Snとともにノッキングレベルをパラメータとして示す
図である。 ３……圧力センサ（ノッキング検出手段）、 10……マイクロコンピュータ（演算手段、判別手段、ノ
ッキング回避手段）、 101……定量化手段。

フロントページの続き (72)発明者 川村 佳久 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−195066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−152171（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）内燃機関のノッキングを検出するノッ
   キング検出手段と、 ｂ）ノッキング検出手段の出力からエンジンのノッキン
   グ成分を抽出するとともに、該抽出値を所定クランク角
   期間の間積分して定量化する定量化手段と、 ｃ）定量化手段の出力を重みづけして平滑化する平滑化
   手段と、 ｄ）定量化手段の出力から平滑化手段の出力を減算する
   演算手段と、 ｅ）演算手段の演算結果を所定の比較基準値と比較し、
   ノッキングの大きさを判別する判別手段と、 ｆ）判別手段の判別結果に基づいてノッキングを回避す
   るノッキング回避手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関のノッキング制御装
   置。