JP7224493B2

JP7224493B2 - 内燃機関の制御装置及び制御方法

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Publication number: JP7224493B2
Application number: JP2021562243A
Authority: JP
Inventors: 純一井上; 裕平松嶋; 敏克齋藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: CN114729610B; CN114729610A; DE112019007933T5; JPWO2021111535A1; US11674493B2; US20220333570A1; WO2021111535A1

Description

本願は、内燃機関の制御装置及び制御方法に関するものである。

従来から、内燃機関に発生するノック現象（ノッキング現象）を、内燃機関の燃焼室ブロックに直接取り付けられた振動センサ（以下、ノックセンサと称する）により検出する制御装置が知られている。内燃機関の運転中にノックが発生すると、内燃機関のボア径、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ため、制御装置は、この固有周波数の振動強度を測定することでノックの検出を行なう。

しかしながら、上記振動センサで検出されるのはノックによる振動だけでなく、内燃機関が発する機械ノイズも検出してしまうため、このような機械ノイズを回避してノック検出を行う必要がある。

このようなノック制御を行う技術として、例えば、下記の特許文献１及び特許文献２に記載された技術が既に知られている。

特許文献１には、以下の技術が開示されている。ノック発生の判定用の２つの周波数成分と、ノイズ発生の判定用の少なくとも１つの周波数成分を用い、ノック発生かつノイズ未発生と判定されたときに点火リタードする。

特許文献２には、以下の技術が開示されている。ノック信号（ノック周波数帯のノックウインドウ間のピーク値）の分布の特徴に基づいてノイズの発生を判定する。具体的には、ノック信号のピーク値の分布形状（平均値、分散）を算出し、分散と平均値の比に基づいてノイズの有無を判定する。

特許第２５８２９６９号公報特許第４６０５６４２号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ノイズ判定専用の周波数帯の解析が行われ、３つ以上の周波数帯の解析が必要となり、演算負荷が増大するという課題がある。また、特許文献２の技術では、平均値、分散を演算する必要があり、演算負荷が増大すると共に、それらの演算が完了するまではノックとノイズの判定ができないという課題がある。

そこで、機械ノイズの発生を判定するための演算処理負荷の増加を抑制し、機械ノイズが発生した場合にも、精度よくノックの発生を判定できる内燃機関の制御装置及び制御方法が求められる。

本願に係る内燃機関の制御装置は、
内燃機関に設けられたノックセンサの出力信号に含まれる、第１周波数帯の成分の強度、及び前記第１周波数帯よりも周波数が高い第２周波数帯の成分の強度を算出するノック信号算出部と、
燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において算出された前記第１周波数帯の成分の強度及び前記第２周波数帯の成分の強度に基づいて、前記燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定するノック判定部と、を備え、
前記ノック判定部は、前記ノック判定期間に対応して設定された比較期間における前記第２周波数帯の成分の強度の最大値が、前記比較期間における前記第１周波数帯の成分の強度の最大値を上回った場合は、前記第２周波数帯の成分の強度を用いずに、前記第１周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する特定判定処理を行うものである。

また、本願に係る内燃機関の制御方法は、
内燃機関に設けられたノックセンサの出力信号に含まれる、第１周波数帯の成分の強度、及び前記第１周波数帯よりも周波数が高い第２周波数帯の成分の強度を算出するノック信号算出ステップと、
燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において算出された前記第１周波数帯の成分の強度及び前記第２周波数帯の成分の強度に基づいて、前記燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定するノック判定ステップと、を備え、
前記ノック判定ステップでは、前記ノック判定期間に対応して設定された比較期間における前記第２周波数帯の成分の強度の最大値が、前記比較期間における前記第１周波数帯の成分の強度の最大値を上回った場合は、前記第２周波数帯の成分の強度を用いずに、前記第１周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する特定判定処理を行うものである。

本願に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、第２側停止判定処理を行わない通常判定処理を行う場合は、ノック判定期間における第１周波数帯の成分の強度及び第２周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックの発生の有無を判定するので、ノックの種類によって周波数帯の傾向差が生じても、感度よくノックの発生を検出できる。一方、機械ノイズに対しては、ノック判定期間に対応して設定された比較期間における第２周波数帯の成分の強度の最大値が、第１周波数帯の成分の強度の最大値を上回ったか否かを判定するだけなので、ノック発生の判定のために算出された第１周波数帯の成分の強度の最大値及び第２周波数帯の成分の強度の最大値を判定し、それらを比較するという簡単な処理により行うことができる。また、機械ノイズが重畳した第２周波数帯の成分の強度を用いずに、第１周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックが発生したか否かを判定するので、機械ノイズの重畳にも、精度よくノックの発生を判定できる。

実施の形態１に係る内燃機関の概略構成図である。実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。実施の形態１に係るノックセンサ信号の周波数特性を説明する図である。実施の形態１に係るノック発生時の挙動を説明する図である。実施の形態１に係るノック未発生時の挙動を説明する図である。実施の形態１に係る機械ノイズの重畳時の挙動を説明する図である。実施の形態１に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。実施の形態２に係る機械ノイズの重畳時の挙動を説明する図である。実施の形態２に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。実施の形態３に係る機械ノイズの重畳時の挙動を説明する図である。実施の形態３に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。

１．実施の形態１
実施の形態１に係る内燃機関１の制御装置５０（以下、単に制御装置５０と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の概略構成図である。なお、本実施の形態に係る内燃機関１は、複数の燃焼室２５（例えば、３つ）を備えているが、図１には便宜上、１つの燃焼室２５のみを示している。内燃機関１及び制御装置５０は、車両に搭載され、内燃機関１は、車両（車輪）の駆動力源となる。

１－１．内燃機関１の構成
まず、内燃機関１の構成について説明する。内燃機関１は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室２５を有している。内燃機関１は、燃焼室２５に空気を供給する吸気路２３と、燃焼室２５で燃焼した排気ガスを排出する排気路１７とを備えている。内燃機関１は、吸気路２３を開閉するスロットルバルブ６を備えている。スロットルバルブ６は、制御装置５０により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ６には、スロットルバルブ６の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ７が設けられている。

吸気路２３の最上流部には、吸気路２３に吸入された空気を浄化するエアクリーナ２４が設けられている。スロットルバルブ６の上流側の吸気路２３には、吸気路２３に吸入される吸入空気流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ３が設けられている。スロットルバルブ６の下流側の吸気路２３の部分は、吸気マニホールド１１とされており、複数の燃焼室２５に連結されている。吸気マニホールド１１の上流側の部分は、吸気脈動を抑制するサージタンクとされている。

吸気マニホールド１１には、吸気マニホールド１１内の気体の圧力であるマニホールド圧に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ８が設けられている。なお、エアフローセンサ３及びマニホールド圧センサ８の何れか一方のみが設けられてもよい。吸気マニホールド１１の下流側の部分には、燃料を噴射するインジェクタ１３が設けられている。なお、インジェクタ１３は、燃焼室２５内に直接燃料を噴射するように設けられてもよい。

燃焼室２５の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ１８と、点火プラグ１８に点火エネルギーを供給する点火コイル１６と、が設けられている。また、燃焼室２５の頂部には、吸気路２３から燃焼室２５内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ１４と、シリンダ内から排気路１７に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ１５と、が設けられている。吸気バルブ１４には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気バルブの可変バルブタイミング機構１４ａが設けられている。吸気バルブの可変バルブタイミング機構１４ａは、吸気バルブの開閉タイミングを変化させる電動アクチュエータを有している。

内燃機関１のクランク軸には、外周に予め定められた角度間隔で複数の歯が設けられた信号プレートが設けられている。クランク角センサ９は、クランク軸の信号プレートの歯に対向してシリンダブロックに固定されており、歯の通過に同期したパルス信号を出力する。図示は省略するが、内燃機関１のカム軸には、外周に予め定められた角度間隔で複数の歯が設けられた信号プレートが設けられている。カム角センサ１０は、カム軸の信号プレートの歯に対向して固定されており、歯の通過に同期したパルス信号を出力する。

制御装置５０は、クランク角センサ９及びカム角センサ１０の２種類の出力信号に基づいて、各ピストン５の上死点を基準としたクランク角度を検出すると共に、各燃焼室２５の行程を判別する。

シリンダブロックにはノックセンサ１２が固定されている。ノックセンサ１２は、内燃機関１の振動に応じた信号（振動波形信号）を出力する。ノックセンサ１２は、圧電素子等により構成される。

１－２．制御装置５０の構成
次に、制御装置５０について説明する。制御装置５０は、内燃機関１を制御対象とする制御装置である。図２のブロック図に示すように、制御装置５０は、ノック信号算出部５１、ノック判定部５２、点火制御部５３、及びバルブタイミング制御部５４等の制御部を備えている。制御装置５０の各制御部５１～５４等は、制御装置５０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置５０は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、各種のセンサ、スイッチが接続され、これらセンサ、スイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。

そして、制御装置５０が備える各制御部５１～５４等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置５０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部５１～５４等が用いる閾値、ノック判定期間等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。

本実施の形態では、入力回路９２には、エアフローセンサ３、スロットル開度センサ７、マニホールド圧センサ８、クランク角センサ９、カム角センサ１０、ノックセンサ１２、及びアクセルポジションセンサ２６等が接続されている。出力回路９３には、スロットルバルブ６（電気モータ）、インジェクタ１３、吸気バルブの可変バルブタイミング機構１４ａ、及び点火コイル１６等が接続されている。なお、制御装置５０には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。

制御装置５０は、エアフローセンサ３又はマニホールド圧センサ８の出力信号等に基づいて吸入空気量を検出し、スロットル開度センサ７の出力信号に基づいてスロットル開度を検出し、アクセルポジションセンサ２６の出力信号に基づいてアクセル開度を検出する。制御装置５０は、クランク角センサ９及びカム角センサ１０の出力信号に基づいてクランク角度及び回転速度、並びに吸気バルブ１４の開閉タイミングを検出する。

制御装置５０は、基本的な制御として、入力された各種センサの出力信号等に基づいて、燃料噴射量、点火時期等を算出し、インジェクタ１３及び点火コイル１６等を駆動制御する。点火制御については、後述する。制御装置５０は、アクセル開度等に基づいて、運転者が要求している内燃機関１の出力トルクを算出し、当該要求出力トルクを実現する吸入空気量となるように、スロットルバルブ６等を制御する。具体的には、制御装置５０は、目標スロットル開度を算出し、スロットル開度が目標スロットル開度に近づくように、スロットルバルブ６の電気モータを駆動制御する。

バルブタイミング制御部５４は、内燃機関の回転速度及び吸入空気量等に基づいて吸気バルブ１４の目標開閉タイミングを算出し、吸気バルブ１４の開閉タイミングが目標開閉タイミングに近づくように、吸気バルブの可変バルブタイミング機構１４ａの電動アクチュエータを駆動制御する。

１－２－１．ノック信号算出部５１
ノック信号算出部５１は、ノックセンサ１２の出力信号に含まれる第１周波数帯Ｆ１の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯Ｆ２の成分の強度ＳＦ２を算出する。第２周波数帯Ｆ２は、第１周波数帯Ｆ１よりも周波数が高く設定されている。

図４に、ノックの発生時及び未発生時における、周波数と、各周波数におけるノックセンサ１２の出力信号の強度との特性の例を示す。この特性に示すように、ノックが発生すると、全周波数においてノックセンサ信号の強度が増加するが、特に、複数の特定の周波数帯で信号の強度がより高くなっており、ノックの検出性が向上する。また、周波数が高くなるに従って、ノックの発生時の信号の強度が低下する傾向になっている。

例えば、図４に示すように、第１周波数帯Ｆ１及び第２周波数帯Ｆ２は、ノックの発生時の強度が周囲の周波数よりも高くなる周波数帯に設定される。例えば、第１周波数帯Ｆ１は、１１ｋＨｚを含む周波数帯に設定され、第２周波数帯Ｆ２は、１８ｋＨｚを含む周波数帯に設定される。

また、ノック発生時の第２周波数帯Ｆ２の成分の強度は、第１周波数帯Ｆ１の成分の強度よりも低くなっている。なお、第１周波数帯Ｆ１及び第２周波数帯Ｆ２は、ノックの発生時の強度が周囲の周波数よりも高くなる周波数帯に設定されなくてもよい。

本実施の形態では、ノック信号算出部５１は、ノックセンサ１２の出力信号に対してフーリエ変換処理又はバンドパスフィルタ処理等を行って、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を算出する。

例えば、ノック信号算出部５１は、フーリエ変換処理として、所定時間毎にノックセンサ１２の出力信号に対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又は短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）等を行って、第１周波数帯Ｆ１のスペクトル列及び第２周波数帯Ｆ２のスペクトル列を算出する。そして、ノック信号算出部５１は、第１周波数帯Ｆ１のスペクトル列のピーク値又は平均値を、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１として算出し、第２周波数帯Ｆ２のスペクトル列のピーク値又は平均値を、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２として算出する。

或いは、ノック信号算出部５１は、バンドパスフィルタ処理として、所定時間毎にノックセンサ１２の出力信号に対して無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタ又は有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ等を行って、第１周波数帯Ｆ１の成分及び第２周波数帯Ｆ２の成分を抽出し、第１周波数帯Ｆ１の成分の振幅を第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１として算出し、第２周波数帯Ｆ２の成分の振幅を第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２として算出する。

１－２－２．ノック判定部５２
＜通常判定処理＞
ノック判定部５２は、後述する第２側停止処理を行わない通常判定処理を行う場合は、燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において算出された第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に基づいて、燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定する。

各燃焼室２５のノック判定期間は、各燃焼室２５のピストンの上死点を基準にした所定のクランク角度間隔（例えば、上死点前６０°から上死点後９０°までのクランク角度間隔）に設定される。ノック判定期間は、回転速度、吸入空気量、点火時期等の運転状態に応じて変化されてもよい。

ノック判定部５２は、ノック判定期間において、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１と第１閾値ＴＨ１とを比較する第１比較を行い、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２と第２閾値ＴＨ２とを比較する第２比較を行い、第１比較の比較結果及び第２比較の比較結果の一方又は双方に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する。

図４に示したように、ノック発生時の第２周波数帯Ｆ２の成分の強度は、第１周波数帯Ｆ１の成分の強度よりも小さくなる。よって、第２閾値ＴＨ２は、第１閾値ＴＨ１よりも小さい値に設定される。なお、第１閾値ＴＨ１及び第２閾値ＴＨ２は、回転速度、吸入空気量、点火時期等の運転状態に応じて変化されてもよい。また、第１閾値ＴＨ１は、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１の統計値等により適応的に設定されてもよく、第２閾値ＴＨ２は、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２の統計値等により適応的に設定されてもよい。

図５及び図６に示すように、ノック判定部５２は、第１比較として、ノック判定期間における第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１の最大値ＳＦ１＿ＭＸ（以下、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸとも称す）を判定し、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回ったか否かを判定する。ノック判定部５２は、第２比較として、ノック判定期間における第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２の最大値ＳＦ２＿ＭＸ（以下、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸとも称す）を判定し、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが第２閾値ＴＨ２を上回ったか否かを判定する。

本実施の形態では、通常判定処理において、ノック判定部５２は、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸ及び第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸの少なくとも一方が、第１閾値ＴＨ１又は第２閾値ＴＨ２を上回ったと判定した場合に、ノックが発生したと判定し、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸ及び第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸの双方が、第１閾値ＴＨ１又は第２閾値ＴＨ２を上回っていないと判定した場合に、ノックが発生していないと判定する。

このように、通常判定処理では、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸ及び第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸの少なくとも一方が、閾値を上回った場合に、ノックの発生を検出できるので、ノックの種類によって周波数帯の傾向差が生じても、感度よくノックの発生を検出できる。

ノック判定部５２は、ノックの発生の判定結果に基づいて、点火時期を変化させる。本実施の形態では、ノック判定部５２は、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１（本例では、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸ）が第１閾値ＴＨ１を上回った第１上回り幅ＷＦ１と、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２（本例では、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸ）が第２閾値ＴＨ２を上回った第２上回り幅ＷＦ２と、に基づいて、点火時期の遅角量θＲを算出する。

なお、次式に示すように、ノック判定部５２は、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回った場合は、第１上回り幅ＷＦ１に、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸから第１閾値ＴＨ１を減算した値を設定し、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回っていない場合は、第１上回り幅ＷＦ１に０に設定する。
１）ＳＦ１＿ＭＸ＞ＴＨ１の場合、
ＷＦ１＝ＳＦ１＿ＭＸ－ＴＨ１・・・（１）
２）ＳＦ１＿ＭＸ≦ＴＨ１の場合、
ＷＦ１＝０

また、次式に示すように、ノック判定部５２は、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが第２閾値ＴＨ２を上回った場合は、第２上回り幅ＷＦ２に、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸから第２閾値ＴＨ２を減算した値を設定し、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが第２閾値ＴＨ２を上回っていない場合は、第２上回り幅ＷＦ２に０に設定する。
１）ＳＦ２＿ＭＸ＞ＴＨ２の場合、
ＷＦ２＝ＳＦ２＿ＭＸ－ＴＨ２・・・（２）
２）ＳＦ２＿ＭＸ≦ＴＨ２の場合、
ＷＦ２＝０

例えば、ノック判定部５２は、次式に示すように、第１上回り幅ＷＦ１の２乗値と第２上回り幅ＷＦ２の２乗値との加算値の平方根に基づいて、点火時期の遅角量θＲを算出する。ここで、Ｋｒ１は、通常判定処理の反映係数であり、正の値に設定されている。
θＲ＝－Ｋｒ１×√（ＷＦ１^２＋ＷＦ２^２）・・・（３）

＜機械ノイズの重畳による誤判定＞
ノックセンサは、ノックによる振動だけでなく、内燃機関が発生する機械ノイズも検出してしまう。機械ノイズには、他の燃焼室の吸気バルブ又は排気バルブが着座するときに生じる振動成分がある。機械ノイズの周波数帯は、第２周波数帯Ｆ２と重複する。そのため、図７に示すように、ノック判定期間で機械ノイズが発生すると、第２周波数帯Ｆ２の成分に機械ノイズが重畳し、ノックが発生していないにもかかわらず、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が大きくなり、ノックが発生したと誤判定される。誤判定されると、点火時期が遅角され、トルクが低下し、燃費が悪化する。そのため、機械ノイズの重畳によるノックの誤判定を防止したい。

ノック未発生時の機械ノイズ重畳の状態でも、第１周波数帯Ｆ１の成分には機械ノイズがあまり重畳しないため、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１が大きくならない。よって、ノックが発生していない状態で、機械ノイズが重畳すると、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１よりも大きくなる。

なお、図４に示した特性から、機械ノイズが重畳していない状態で、ノックが発生すると、図５に示すように、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１が、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２よりも大きくなる。また、機械ノイズが重畳していない状態で、ノックが発生していないと、図６に示すように、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１が、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２よりも大きくなる。燃焼による振動の発生レベルが非常に低い場合は、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１が、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２よりも小さくなる可能性があるが、この場合は、ノックの誤判定が行われず、ノックの発生判定も行われないため、考慮しなくてもよい。

従って、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１よりも大きくなると、機械ノイズが重畳したと判定でき、その場合は、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を用いずに、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１を用いてノックの発生判定を行うことで、ノックが発生したと誤判定されることを防止できる。

＜第２側停止処理＞
そこで、ノック判定部５２は、ノック判定期間に対応して設定された比較期間における第２周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ２＿ＭＸＣＰが、比較期間における第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸＣＰを上回ったか否かを判定し、上回ったと判定した場合（すなわち、機械ノイズが重畳したと判定した場合）は、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を用いずに、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する第２側停止判定処理を実行する。一方、ノック判定部５２は、上回っていないと判定した場合（すなわち、機械ノイズが重畳していないと判定した場合）は、上述した通常判定処理を実行する。

この構成によれば、第２周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ２＿ＭＸＣＰと第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸＣＰとの大小関係を比較する単純な処理により、機械ノイズが第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に重畳したか否かを判定し、機械ノイズが重畳したと判定した場合は、機械ノイズが重畳した第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を用いずに、機械ノイズがあまり重畳していない第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１に基づいて、ノックの発生の有無を精度よく判定できる。よって、機械ノイズにより、ノックが発生したと誤判定されることを防止できる。

本実施の形態では、比較期間は、ノック判定期間に設定されている。この構成によれば、他の燃焼室の吸気バルブ又は排気バルブの着座による機械ノイズだけでなく、インジェクタの駆動による機械ノイズ等、ノック判定期間に生じたあらゆる機械ノイズを評価することができる。

第２側停止判定処理を実行する場合は、ノック判定部５２は、第１比較の比較結果に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する。本実施の形態では、第２側停止判定処理において、ノック判定部５２は、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが、第１閾値ＴＨ１を上回ったと判定した場合に、ノックが発生したと判定し、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが、第１閾値ＴＨ１を上回っていないと判定した場合に、ノックが発生していないと判定する。

第２側停止判定処理において、ノック判定部５２は、式（１）に示したように、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回った場合は、第１上回り幅ＷＦ１に、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸから第１閾値ＴＨ１を減算した値を設定し、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回っていない場合は、第１上回り幅ＷＦ１に０に設定する。

例えば、第２側停止判定処理において、ノック判定部５２は、次式に示すように、第１上回り幅ＷＦ１に基づいて、点火時期の遅角量θＲを算出する。Ｋｒ２は、第２側停止判定処理の反映係数であり、正の値に設定されている。式（３）と比べて、第２上回り幅ＷＦ２が用いられない分、遅角量θＲが低下するので、第２側停止判定処理の反映係数Ｋｒ２は、通常判定処理の反映係数Ｋｒ１よりも大きく設定されてもよい。
θＲ＝－Ｋｒ２×ＷＦ１・・・（４）

＜最終遅角量ＦθＲの算出＞
ノック判定部５２は、次式に示すように、１回のノック判定期間に対応して通常判定処理又は第２側停止判定処理を行い、点火時期の遅角量θＲを算出する毎に、遅角量θＲを積算して、最終遅角量ＦθＲを算出する。そして、後述する式（６）に示すように、最終遅角量ＦθＲにより点火時期が遅角される。なお、以下に記載されている「（ｎ）」は、今回の処理タイミングで算出される値を示し、「（ｎ－１）」は、前回の処理タイミングで算出された値を示す。
ＦθＲ（ｎ）
＝ｍｉｎ｛ＦθＲ（ｎ－１）＋θＲ（ｎ）＋Ｋａ，Ｆθｍａｘ｝
・・・（５）

ここで、Ｋａは、予め設定された進角側への復帰量であり、正の値に設定され、ノックが発生していないと判定され、遅角量θＲが０の場合に、最終遅角量ＦθＲを進角側に次第に復帰させる。Ｆθｍａｘは、予め設定された進角側の最大値であり、最終遅角量ＦθＲの上限制限値である。ｍｉｎ｛Ａ，Ｂ｝は、ＡとＢとの最小値を出力する関数である。

１－２－３．点火制御部５３
本実施の形態では、点火制御部５３は、ノック判定部５２により算出された遅角量（本例では、最終遅角量ＦθＲ）により、点火時期を遅角させる。点火制御部５３は、回転速度、吸入空気量等の内燃機関１の運転状態に基づいて、基本点火時期θＢを算出する。基本点火時期θＢは、通常、トルクが最大になる点火時期に設定される。そして、点火制御部５３は、次式に示すように、基本点火時期θＢに最終遅角量ＦθＲを加算した値を、最終点火時期θＩＧに設定する。
θＩＧ＝θＢ＋ＦθＲ・・・（６）

最終点火時期θＩＧは、ピストン５の上死点前角度であり、遅角側が負であり、進角側が正である。制御装置５０は、最終点火時期θＩＧ及びクランク角度に基づいて、最終点火時期θＩＧ（クランク角度）で点火プラグ１８に放電が開始するように、点火コイル１６への通電制御を行う。

１－２－４．フローチャート
本実施の形態に係る制御装置５０の処理（内燃機関の制御方法）について、図８に示すフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ０１で、ノック信号算出部５１は、燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において、上述したように、ノックセンサ１２の出力信号に含まれる第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を算出する。ノック判定期間の各タイミングで算出された第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２は、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶される。

そして、ノック判定期間が終了すると、ステップＳ０２で、ノック判定部５２は、ノック判定期間に対応して設定された比較期間において算出された第２周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ２＿ＭＸＣＰ及び第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸＣＰを算出する。そして、ノック判定部５２は、第２周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ２＿ＭＸＣＰが、第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸＣＰを上回っているか否かを判定し、上回っていない場合は、ステップＳ０３に進み通常判定処理を行い、上回っている場合は、ステップＳ０４に進み第２側停止判定処理を行う。

ステップＳ０３で、通常判定処理において、ノック判定部５２は、ノック判定期間において算出された第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１及び第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に基づいて、燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定する。本実施の形態では、上述したように、ノック判定部５２は、ノック判定期間において、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１と第１閾値ＴＨ１とを比較する第１比較を行い、第２周波数帯の成分の強度と第２閾値ＴＨ２とを比較する第２比較を行い、第１比較の比較結果及び第２比較の比較結果の一方又は双方に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する。

また、本実施の形態では、通常判定処理において、ノック判定部５２は、ノックの発生の判定結果に基づいて、点火時期を変化させる。本実施の形態では、ノック判定部５２は、上述したように、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回った第１上回り幅ＷＦ１と、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが第２閾値ＴＨ２を上回った第２上回り幅ＷＦ２と、に基づいて、点火時期の遅角量θＲを算出する。

一方、ステップＳ０４で、第２側停止判定処理において、ノック判定部５２は、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２を用いずに、ノック判定期間において算出された第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１に基づいて、燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定する。本実施の形態では、上述したように、ノック判定部５２は、ノック判定期間において、第１周波数帯の成分の強度ＳＦ１と第１閾値ＴＨ１とを比較する第１比較を行い、第１比較の比較結果に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する。

また、本実施の形態では、第２側停止判定処理において、ノック判定部５２は、ノックの発生の判定結果に基づいて、点火時期を変化させる。本実施の形態では、ノック判定部５２は、上述したように、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸが第１閾値ＴＨ１を上回った第１上回り幅ＷＦ１に基づいて、点火時期の遅角量θＲを算出する。

そして、ステップＳ０５で、ノック判定部５２は、通常判定処理又は第２側停止判定処理により算出された遅角量θＲに基づいて、式（５）に示したように、最終遅角量ＦθＲを算出する。

ステップＳ０６で、上述したように、点火制御部５３は、ノック判定部５２により算出された遅角量（本例では、最終遅角量ＦθＲ）により、点火時期を遅角させる。そして、点火制御部５３は、点火時期に基づいて点火コイル１６への通電制御を行う。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る制御装置５０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置５０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、比較期間の設定が実施の形態１と異なる。

ノック未発生時において、機械ノイズが重畳している図９の例に示すように、燃焼による振動成分の発生タイミングは、第１周波数帯Ｆ１と第２周波数帯Ｆ２とでほぼ同じになる。一方、機械ノイズ成分の発生タイミングは、燃焼による振動成分の発生タイミングと異なる場合がある。そのため、比較期間を、機械ノイズ成分の発生タイミングに合わせて設定した方が、機械ノイズの重畳の有無の判定精度を向上できると考えられる。

そこで、本実施の形態では、ノック判定部５２は、比較期間を、ノック判定期間において第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になった時点を含む期間に設定する。例えば、ノック判定部５２は、比較期間を、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になった時点を中心とする期間に設定する。ノック判定部５２は、比較期間を、第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になったクランク角度を中心とする所定のクランク角度間隔（±α度）に設定する。

この構成によれば、図９の例に示すように、機械ノイズの発生タイミングと機械ノイズ成分の発生タイミングが異なっている場合は、比較期間は、第２周波数帯Ｆ２において、機械ノイズが発生しており、燃焼による振動成分が発生していない期間に設定されるので、第１周波数帯Ｆ１において比較期間では、燃焼による振動成分が発生していない。そのため、比較期間における第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸＣＰは、ノック判定期間における第１周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ１＿ＭＸよりも低くなり、比較期間における第２周波数帯の成分の強度の最大値ＳＦ２＿ＭＸＣＰよりも低くなっており、機械ノイズが重畳していると判定できる。よって、機械ノイズの重畳の有無を精度よく判定できている。

本実施の形態に係る制御装置５０の処理（内燃機関の制御方法）について、図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１１、ステップＳ１３～ステップＳ１７の処理は、実施の形態１の図８のステップＳ０１からステップＳ０６までの処理と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態では、ステップＳ１２で、ノック判定部５２は、ノック判定期間が終了すると、ノック判定期間において算出された第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に基づいて、ノック判定期間において第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になった時点を判定する。そして、ノック判定部５２は、上述したように、比較期間を、ノック判定期間において第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になった時点を含む期間に設定する。

３．実施の形態３
次に、実施の形態２に係る制御装置５０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る制御装置５０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、第２側停止判定処理の実行有無の判定方法が実施の形態１と異なる。

可変バルブタイミング機構１４ａにより吸気バルブ１４の開閉タイミングが変化されると、開閉タイミングの変化に応じて、他の燃焼室の吸気バルブ１４の閉弁タイミングがノック判定期間と重複したり、重複しなかったりする。そのため、図１１に示すように、閉弁タイミングがノック判定期間と重複していない場合は、ノック判定期間の第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に、機械ノイズが重畳している可能性が低いので、第２側停止判定処理を実行しなくてもよい。また、発生頻度は低いが、燃焼による振動成分が増加した場合に、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸよりも高くなる場合がある。

そこで、本実施の形態では、ノック判定部５２は、可変バルブタイミング機構の制御値に基づいて、閉弁タイミングがノック判定期間と重複するか否かを判定し、重複しないと判定した場合は、第２側停止判定処理を実行しない。例えば、ノック判定部５２は、可変バルブタイミング機構の制御値として、重複する可能性の高い特定燃焼室の吸気バルブの開閉タイミングの位相情報を取得し、位相情報に基づいて、特定燃焼室の吸気バルブの閉弁タイミングを算出し、閉弁タイミングに基づいて、閉弁による機械ノイズの発生期間を算出する。そして、ノック判定部５２は、機械ノイズの発生期間とノック判定期間と重複するか否かを判定する。

この構成によれば、可変バルブタイミング機構の制御値により、閉弁タイミングがノック判定期間と重複しないと判定される場合は、ノック判定期間の第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２に機械ノイズが重畳する可能性が低いので、不要な第２側停止判定処理が実行されることを抑制できる。そして、発生頻度は低いが、図１１に示すように、燃焼による振動成分の増加により、第２成分強度最大値ＳＦ２＿ＭＸが、第１成分強度最大値ＳＦ１＿ＭＸよりも高くなった場合に、ノックの発生を検出することができる。

本実施の形態に係る制御装置５０の処理（内燃機関の制御方法）について、図１２に示すフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ２１、ステップＳ２３～ステップＳ２７の処理は、実施の形態１の図８のステップＳ０１からステップＳ０６までの処理と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態では、ステップＳ２２で、ノック判定部５２は、上述したように、可変バルブタイミング機構の制御値に基づいて、他の燃焼室の吸気バルブの閉弁タイミングがノック判定期間と重複するか否かを判定し、重複すると判定した場合は、ステップＳ２３に進み、機械ノイズの重畳の有無を判定し、通常判定処理又は第２側停止判定処理を実行し、重複しないと判定した場合は、ステップＳ２４に進み、通常判定処理を実行する。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の実施の形態３においては、吸気バルブ１４に可変バルブタイミング機構１４ａが設けられ、ノック判定部５２は、吸気バルブの可変バルブタイミング機構１４ａの制御値に基づいて、吸気バルブの閉弁タイミングがノック判定期間と重複するか否かを判定する場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、排気バルブに可変バルブタイミング機構が設けられてもよく、ノック判定部５２は、排気バルブの可変バルブタイミング機構の制御値に基づいて、排気バルブの閉弁タイミングがノック判定期間と重複するか否かを判定してもよい。

（２）上記の各実施の形態においては、ノック判定部５２は、ノック発生の判定結果に基づいて、点火時期を変化させる場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ノック判定部５２は、ノック発生の判定結果に基づいて、点火時期以外の内燃機関１の制御パラメータを変化させてもよい。例えば、制御パラメータは、可変バルブタイミング機構のバルブ開閉タイミング、吸入空気量、空燃比、圧縮比等とされる。

（３）実施の形態３において、ノック判定部５２は、閉弁タイミングがノック判定期間と重複すると判定した場合に、実施の形態２と同様に、比較期間を、ノック判定期間において第２周波数帯の成分の強度ＳＦ２が最大になった時点を含む期間に設定してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１内燃機関、１２ノックセンサ、１４ａ可変バルブタイミング機構、１４吸気バルブ、１５排気バルブ、２５燃焼室、５０内燃機関の制御装置、５１ノック信号算出部、５２ノック判定部、５３点火制御部、５４バルブタイミング制御部、Ｆ１第１周波数帯、Ｆ２第２周波数帯、ＳＦ１第１周波数帯の成分の強度、ＳＦ２第２周波数帯の成分の強度、ＳＦ１＿ＭＸノック判定期間における第１周波数帯の成分の強度の最大値、ＳＦ２＿ＭＸノック判定期間における第２周波数帯の成分の強度の最大値、ＳＦ１＿ＭＸＣＰ比較期間における第１周波数帯の成分の強度の最大値、ＳＦ２＿ＭＸＣＰ比較期間における第２周波数帯の成分の強度の最大値、ＴＨ１第１閾値、ＴＨ２第２閾値、θＲ点火時期の遅角量

Claims

内燃機関に設けられたノックセンサの出力信号に含まれる、第１周波数帯の成分の強度、及び前記第１周波数帯よりも周波数が高い第２周波数帯の成分の強度を算出するノック信号算出部と、
燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において算出された前記第１周波数帯の成分の強度及び前記第２周波数帯の成分の強度に基づいて、前記燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定するノック判定部と、を備え、
前記ノック判定部は、前記ノック判定期間に対応して設定された比較期間における前記第２周波数帯の成分の強度の最大値が、前記比較期間における前記第１周波数帯の成分の強度の最大値を上回った場合は、前記第２周波数帯の成分の強度を用いずに、前記第１周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する特定判定処理を行う内燃機関の制御装置。
前記ノック判定部は、前記比較期間を、前記ノック判定期間において前記第２周波数帯の成分の強度が最大になった時点を含む期間に設定する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
燃焼室の吸気バルブ及び排気バルブの一方又は双方の閉弁タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構を制御するバルブタイミング制御部を備え、
前記ノック判定部は、前記可変バルブタイミング機構の制御値に基づいて、前記閉弁タイミングが前記ノック判定期間と重複するか否かを判定し、重複しないと判定した場合は、前記特定判定処理を実行しない請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
前記ノック判定部は、ノックの発生の判定結果に基づいて、点火時期を変化させる請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
前記ノック判定部は、前記特定判定処理を実行しない場合は、前記ノック判定期間において、前記第１周波数帯の成分の強度と第１閾値とを比較する第１比較を行い、前記第２周波数帯の成分の強度と第２閾値とを比較する第２比較を行い、前記第１比較の比較結果及び前記第２比較の比較結果の一方又は双方に基づいて、ノックが発生したか否かを判定し、
前記特定判定処理を実行する場合は、前記第１比較の比較結果に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
前記ノック判定部は、前記特定判定処理を実行しない場合は、前記第１周波数帯の成分の強度が第１閾値を上回った第１上回り幅の２乗値と、前記第２周波数帯の成分の強度が第２閾値を上回った第２上回り幅の２乗値と、の加算値の平方根に基づいて、点火時期の遅角量を算出し、
前記特定判定処理を実行する場合は、前記第１上回り幅に基づいて、前記点火時期の遅角量を算出する請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
前記第２閾値は、前記第１閾値よりも小さい値に設定される請求項５又は６に記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関に設けられたノックセンサの出力信号に含まれる、第１周波数帯の成分の強度、及び前記第１周波数帯よりも周波数が高い第２周波数帯の成分の強度を算出するノック信号算出ステップと、
燃焼行程に対応して設定されたノック判定期間において算出された前記第１周波数帯の成分の強度及び前記第２周波数帯の成分の強度に基づいて、前記燃焼行程においてノックが発生したか否かを判定するノック判定ステップと、を備え、
前記ノック判定ステップでは、前記ノック判定期間に対応して設定された比較期間における前記第２周波数帯の成分の強度の最大値が、前記比較期間における前記第１周波数帯の成分の強度の最大値を上回った場合は、前記第２周波数帯の成分の強度を用いずに、前記第１周波数帯の成分の強度に基づいて、ノックが発生したか否かを判定する特定判定処理を行う内燃機関の制御方法。