JPH0635941B2 - 内燃機関のノッキング検出装置 - 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検出装置に関し、詳しく
は、機関振動の検出信号からノッキング発生を精度良く
検出し得るノッキング検出装置に関する。

〈従来の技術〉 内燃機関において、所定レベル以上のノッキングが発生
すると、出力を低下させるのみならず、衝撃により吸・
排気バルブやピストンに悪影響を及ぼすため、ノッキン
グを検出して点火時期を補正することにより速やかにノ
ッキングを回避するようにした点火時期制御装置を備え
ているものがある（特開昭５８−１０５０３６号公報等
参照）。

かかるノッキング発生による点火時期補正のためのノッ
キング検出は以下のようにして行っていた。

即ち、第９図に示すように、圧電素子によって振動レベ
ルに応じた検出信号を出力するノックセンサ11を機関12
のシリンダブロック等に取付け、このノックセンサ11か
らの検出信号をバンドパスフィルタ13に入力させてノッ
キング特有の中心周波数付近の信号のみを通過させ、半
波整流を行った後、積分器14で所定の積分区間（例えば
ＡＴＤＣ10゜〜60゜）だけ積分し、かかる積分器14にお
ける積分値のピーク値（積分区間における特定周波数成
分強度の総和）をＡ／Ｄ変換器15でＡ／Ｄ変換してマイ
クロコンピュータ16に入力させる。マイクロコンピュー
タ16では、ノッキング発生時における前記積分値のピー
クと、ノッキング非発生時（機械振動レベル）における
積分値のピークとの差に基づいて、ノッキングが発生し
ているか否かを判別する。

〈発明が解決しようとする課題〉 かかる従来一般のノッキング判別方式では、１つの特定
周波数成分の強度に基づいてノッキング判別を行ってい
るが、実際にはノッキングに寄与する周波数成分は１つ
だけではないため、ノッキング判別精度が劣っていた。

この点に鑑み、複数の特定周波数成分の強度を検出して
ノッキング判別を行うことが試みられつつある。

ところで、これら複数の特定周波数成分のノッキングに
寄与する度合い（以下周波数寄与率という）は、異なっ
ているため、周波数成分毎に周波数寄与率により重み付
けを変えて強度検出を行わなければ、ノッキング検出精
度を十分に高めることができないことが、本願出願人の
実験等により判明した。

しかしながら、前記周波数寄与率は気筒によってばらつ
き、また、機関回転数が異なることによってもばらつく
ため、周波数成分に対して一定の周波数寄与率を持たせ
るだけでは、これらの要因によるばらつきで精度が低下
することも判明した。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、気筒
別や機関回転数領域別に周波数寄与率を設定することに
より、ノッキング検出精度を可及的に高めたノッキング
検出装置を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 そのため本発明にかかる内燃機関のノッキング検出装置
は第１図に示すように構成される。

第１図において、振動センサは機関本体に付設されて機
関振動を検出し、特定周波数成分抽出手段は該振動セン
サの検出信号から特定周波数成分を抽出する。

強度サンプリング手段は、前記抽出された複数の特定周
波数成分の強度を、夫々所定区間内でサンプリングす
る。

周波数寄与率設定手段は、特定周波数成分毎に当該特定
周波数成分のノッキングに寄与する周波数寄与率が気筒
別及び機関回転数領域別の少なくとも一方に応じて設定
する。

強度補正手段は、前記強度サンプリング手段によりサン
プリングされた複数の特定周波数成分の強度を夫々前記
周波数寄与率設定手段により設定された対応する周波数
寄与率で補正する。

ノッキング判別手段は、前記強度補正手段によって補正
された複数の特定周波数成分の強度に基づいてノッキン
グの有無を判別する。

〈作用〉 かかる構成によると、各周波数成分の強度が、気筒別及
び機関回転数領域別の少なくとも一方に応じて設定され
た周波数寄与率により補正して求められるため、気筒別
や機関回転数によるばらつきを回避してノッキングに寄
与する振動強度を高精度に検出できるため、該検出結果
に基づいてノッキング判別精度を可及的に高められる。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を説明する。

一実施例を示す第２図において、図示しない内燃機関の
シリンダブロックに付設されたノックセンサ（振動セン
サ）１は、圧電素子を内蔵し、機関振動に応じた波形の
検出（電圧）信号を出力する。

前記ノックセンサ１の検出信号（アナログ信号）は、Ａ
／Ｄ変換器２でＡ／Ｄ変換されてくし形フィルタ３に入
力される。

前記くし形フィルタ３は、複数段の単位遅延素子からな
る遅延回路４と、この遅延回路４を迂回したデータから
遅延回路４の出力データを減算する加算器５とから構成
されており、このくし形フィルタ３には、ノックセンサ
１の検出信号から抽出したい周波数の数に対応する数の
共振器６ａ〜６ｅが並列接続された回路が縦接接続され
ている。

前記共振器６ａ〜６ｅは、相互に異なる周波数成分に共
振するようにしてあり、本実施例では、かかる共振周波
数を、ノッキング振動が顕著に表れるとされている周波
数域７ｋＨｚ〜９ｋＨｚに従って７ｋＨｚ，８ｋＨｚ，
９ｋＨｚ，10ｋＨｚ，11ｋＨｚとしてある。

前記くし形フィルタ３において、遅延回路４をバイパス
させたデータから遅延回路４で遅延されたデータを減算
することによって、検出信号レベルを全体的に減衰させ
ると共に、特に遅延時間に対応する周波数を加算器５で
消し合わせて、周波数特性として所謂くし形となる結果
が得るようになっている。

これにより、加算器５で消し合わされる信号に基づいて
各共振器６ａ〜６ｅが共振し続けることを抑止でき、各
周波数成分の強度が遂次得られるものである。上記くし
形フィルタ３及び共振器６ａ〜６ｅによって本実施例に
おける特定周波数成分抽出手段が構成される。

尚、本実施例では、上記のようにくし形フィルタ３と共
振器６ａ〜６ｅとの構成によってノックセンサ１からの
信号から特定周波数成分を抽出するようにしたが、特定
周波数成分抽出手段としてアナログのバンドパスフィル
ターを必要とする周波数の数に対応させて設け、各バン
ドパスフィルターの出力をＡ／Ｄ変換してマイクロコン
ピュータ７に読み込ませるようにしても良い。

前記各共振器６ａ〜６ｅの出力、即ち、各周波数成分毎
の強度信号は、マイクロコンピュータ７に入力されるよ
うになっており、マイクロコンピュータ７は、クランク
角センサ８からの検出信号に基づいて検出される所定の
周波数分析区間において前記各共振器６ａ〜６ｅを介し
て入力されるノックセンサ１の特定周波数成分に基づ
き、図示しない内燃機関におけるノッキング発生を検出
する。

かかるノッキング発生検出の内容を、第３図のフローチ
ャートに従って次に説明する。尚、本実施例において、
強度サンプリング手段，周波数寄与率設定手段，強度補
正手段，ノッキング判別手段としての機能は、前記第３
図のフローチャートに示すように前記マイクロコンピュ
ータ７がソフトウェア的に備えている。

第３図のフローチャートに示すノッキング発生検出は、
所定の周波数分析区間において行われるものであり、前
記所定の周波数分析区間とは、例えば点火雑音を避けて
各気筒の燃焼振動をサンプリングできる区間であり、例
えば６気筒機関においてはＡＴＤＣ10゜〜ＡＴＤＣ60゜
のように決められる。

そこで、クランク角センサ８からの検出信号に基づいて
かかる所定の周波数分析区間を検出すると共に、該検出
信号に含まれる気筒判別信号によって当該燃焼行程にあ
る気筒を判別し、更に、単位クランク角毎の信号の単位
時間当たりの出力回数或いは気筒行程位相差毎に出力さ
れる基準クランク角信号の出力周期に基づいて機関回転
数を検出する（Ｓ１）。

周波数分析区間に入ると、前記共振器６ａ〜６ｅから所
定時間（所定期間）毎に出力される第６図に示すような
周波数スペクトルを順に記憶することで、第４図及び第
５図に示すように、分析区間内において所定時間毎に得
られる角周波数成分ｆ_j（ｊ＝０〜ｎ）の強度（ｆ₀₀，
ｆ₁₀，ｆ₂₀，ｆ₃₀・・ｆ_m0）、（ｆ₀₁，ｆ₁₁，ｆ₂₁，ｆ
₃₁・・・ｆ_m1）、（ｆ₀₂，ｆ₁₂，ｆ₂₂，ｆ₃₂・・ｆ_m2）
・・・（ｆ_0n，ｆ_1n，ｆ_2n，ｆ_2n，ｆ_3n・・ｆ_mn）をサ
ンプリングする（Ｓ２）。この機能が強度サンプリング
手段に相当する。

次に、Ｓ１で検出された当該燃焼行程にある気筒と機関
回路とに基づいて、周波数成分毎に気筒と機関回転数を
パラメータとしてマイクロコンピュータ内蔵のＲＯＭに
記憶された周波数寄与率のマップテーブル（第７図参
照）から、各周波数成分ｆ_jの周波数寄与率KF_jを検索す
る（Ｓ３）。即ち、周波数寄与率KF_jを記憶したＲＯＭ
と、前記Ｓ１の気筒判別及び機関回転数検出及びこのＳ
２の周波数寄与率検索の機能とにより周波数寄与率設定
手段が構成される。

これらサンプリングされた強度のデータに基づいて、全
周波数を総合した強度の最大レベルKSi を次式により演
算する（Ｓ４）。

KSi ＝ｆ_m0(max) ×KF₀＋ｆ_m1(max) ×KF₁＋ ・・・＋ｆ_mn(max) ×KF_n ここで、ｆ_mj(max) は周波数成分ｆ_jのサンプリング強
度（ｆ_0j，ｆ_1j，ｆ_2j，ｆ_3j・・ｆ_mi）の中の最大値で
あり、KF_jは前述の周波数寄与率である。

この最大レベルKSLiは、ノッキングの大きさを表す指標
となる値である。

次に、同じく強度データに基づいて、全周波数を総合し
た強度の平均レベルSLi を次式により演算する（Ｓ
５）。

SLi＝｛KF₀/m Σｆ_m0＋KF₁/m Σｆ_m1＋・・・ KF_n/mΣｆ_mn｝ 尚、この演算式においても、周波数寄与率KF_jにより周
波数成分毎の補正が行われる。即ち、最大レベルKSLiと
平均レベルSLi とは、いずれも周波数寄与率KF_jにより
強度補正が行われるから、Ｓ３及びＳ４の機能の中に、
強度補正手段が含まれる。

このようにして求められた最大レベルKSLiと平均レベル
SLi との差を、バックグラウンドBGLiと比較してノッキ
ングの有無を判別する（Ｓ６）。即ち、BGLi＋α＜KSi
−SLi であるときには、ノッキングが発生していると判
定し（Ｓ７）、BGLi≧KSLi−SLi ＋α（αはしきい値）
であるときには、ノッキングが発生していないと判定す
る（Ｓ８）。この機能がノッキング判別手段に相当す
る。

前記バックグラウンドレベルBGLiは、上記当該BGLiと比
較される最大レベルKSi と平均レベルSLiとの差を、上
記のノッキング判別でノッキング無しと判定されたとき
に次式により加重平均演算して求められる（Ｓ９）。

かかるノッキング判別によれば、最大レベルKSiと平均
レベルSLi との差は、基本的に振動レベルの最大値と平
均値との差の総和であり、ノッキング発生時には、前述
したノッキング振動の局所的に振動レベルが増大すると
いう特性により、この差は増大する。

一方、バックグラウンドレベルBGLiは、非ノッキング時
における最大レベルKSi と平均レベルSLiとの差の総和
の加重平均値である。

したがって、ノッキング発生時には、（KSi −SLi）の
値はBGLiに比較て十分大きな値となり、レベルの小さい
信号に対しても、正確なノッキング判別を行える。

そして、本発明に係る構成として、ノッキングに対する
寄与率の高い特定周波数を複数選択し、周波数成分毎に
気筒別及び機関回転数領域別に設定されたばらつきを回
避した周波数寄与率を用いて重み付けを行って総和を採
るようにしたためノッキング検出精度が著しく向上す
る。

尚、本実施例では、周波数分析区間で所定時間毎にサン
プリングして最大レベルと平均レベルとを求めてノッキ
ング強度判別を行う構成としたが、これに限られるもの
ではない。例えば、従来一般的なノッキング検出方式
に、適用した例として、全区間における周波数成分毎の
積分値に周波数寄与率を乗じた値の総和を全振動成分の
非ノッキング判定時の積分値で設定されるバックグラウ
ンドレベルと比較することによってノッキング判別を行
ってもよい。

次に、ノッキング振動特性をより正確に捕らえて機械振
動との区別をより明確にしてノッキング判別を行う実施
例について説明する。

このものでは、平均レベルSLi の演算に際し、前記実施
例同様にして求めた周波数別の強度平均値の総和を、強
度変化補正係数KLP なる値で補正を行う。また、BGLiの
演算に際し、重み付けｘを強度変化補正係数KLP の関数
として設定する。前記強度補正係数KLP を設定するルー
チンを第８図のフローチャートに従って説明する。

まず、第３図のＳ１同様にして周波数成分別の強度を所
定時間毎にサンプリングした後（Ｓ11）、該周波数分析
区間に入って初めて求められる各特定周波数成分の強度
（ｆ₀₀，ｆ₁₀・・・ｆ_n0）を、夫々初期値として記憶す
る（Ｓ12）。

そして、各周波数成分毎に記憶された初期値が夫々変わ
らず、前記周波数分析区間において一定レベルの強度が
続くと仮定し、このときの前記強度の積分値の時間軸変
化を標本周期と前記初期値とに基づいて設定し、これを
規範変化特性とする（Ｓ13）。

次に、実際に入力される各周波数成分毎に求められる強
度の時間的推移（第７図参照）に基づき、かかる強度を
それぞれに時間軸上に標本周期ごとに積分し、周波数分
析区間内における強度変化の特性を検出する（Ｓ14）。

そして、前述のように強度が不変であると仮定して得た
各周波数成分毎の規範変化特性と、実際に検出された各
周波数成分毎の強度積分値の変化の特性とを比較する
（Ｓ15）。

ここで、規範変化特性は、強度変化がないことを前提と
しているのでリニアに増大することになるが、これに対
し、実際の検出信号に基づいて得た強度積分値の変化特
性が合致しない場合には、その周波数成分にノッキング
振動が含まれているために、一定の強度で安定していな
いものと推定される。そこで、周波数成分別に所定時間
毎に強度積分値が規範変化特性に合致しているか否かを
判定し、検出区間内で合致しない場合の総数Ｃをカウン
タで計測する。

そして、前記総数Ｃに応じて強度変化補正係数KLP を設
定する。具体的には、総数Ｃが大きいほど、ノッキング
振動が含まれる割合が大きいのでノッキング判定がなさ
れやすくなる方向、つまり平均レベルSLi を減少させて
最大レベルKSi との差を増大させるべく小さい値に設定
する（Ｓ16）。

そして、上記のようにして設定された強度変化補正係数
KLP により、平均レベルSLi を次式のように前記実施例
で求めた値に強度変化補正係数KLPを乗じて補正して設
定する。

SLi＝｛KF₀/m Σｆ_m0＋KF₁/m Σｆ_m1＋・・・ KF_n/mΣｆ_mn｝・KLP また、バックグラウンドレベルBGLiの更新演算に使用さ
れる重み付け係数ｘを、強度補正係数KLPの関数として
設定する。具体的には、KLP が大きいほどノッキング振
動を含む割合が小さいから、そのときのKSi −SLi の重
みを大きくしてBGLiを演算すべく、重み付け係数ｘを小
さい値として設定する。

このように、強度補正係数KLP を用いることにより、ノ
ッキングの強度変化特性を捕らえて更に高精度にノッキ
ング検出を行える。

尚、本実施例では、強度変化補正係数KLP を平均レベル
を補正する値として設定したが、最大レベルを補正する
値として設定してもよい。

また、以上示した実施例では、周波数寄与率を気筒と機
関回転数をパラメータとする三次元マップテーブルから
の検索によって高精度に求めたが、メモリ量削減のた
め、基本となる周波数寄与率に気筒別にばらつきを補正
するための補正係数と、機関回転数領域別にばらつきを
補正するための補正係数とを掛け合わせて補正するよう
にしてもよい。更に、本発明は気筒別と機関回転数領域
別との一方のみに応じて周波数寄与率を設定するものを
含み、それだけでも相当の精度向上を図れる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によると、振動センサから
の検出信号から複数の特定周波数成分の強度を、気筒別
や機関回転領域別に設定された周波数寄与率を用いて補
正した値を用いてノッキング判別を行う構成としたた
め、ノッキング判別精度を可及的に高めることができる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明の一実施例を示すシステムブロック図、第３図は同上
実施例におけるノッキング検出制御の内容を示すフロー
チャート、第４図及び第５図はそれぞれ同上実施例にお
ける特定周波数成分毎の強度のサンプリングの様子を示
すタイムチャート、第６図は同上実施例における周波数
スペクトルの一例を示す線図、第７図は同じく周波数成
分毎に記憶される周波数寄与率のマップテーブル、第８
図は別の実施例におけるノッキング検出制御の内容を示
すフローチャート、第９図は従来のノッキング検出装置
の一例を示すブロック図である。 １……ノックセンサ（振動センサ）、２……Ａ／Ｄ変換
器、３……くし形フィルタ、４……遅延回路、５……加
算器、６ａ〜６ｅ……共振器、７……マイクロコンピュ
ータ、８……クランク角センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関本体に付設されて機関振動を検出する
   振動センサと、 該振動センサの検出信号から複数の特定周波数成分を抽
   出する特定周波数成分抽出手段と、 該特定周波数成分抽出手段で抽出された複数の特定周波
   数成分の強度を夫々所定区間内でサンプリングする強度
   サンプリング手段と、 特定周波数成分毎に当該特定周波数成分のノッキングに
   寄与する周波数寄与率を気筒別及び機関回転数領域別の
   少なくとも一方に応じて設定する周波数寄与率設定手段
   と、 前記強度サンプリング手段によりサンプリングされた複
   数の特定周波数成分の強度を夫々前記周波数寄与率記憶
   手段により設定された対応する周波数寄与率で補正する
   強度補正手段と、 前記強度補正手段によって補正された複数の特定周波数
   成分の強度に基づいてノッキングの有無を判別するノッ
   キング判別手段と、を含んで構成されたことを特徴とす
   る内燃機関のノッキング検出装置。