内燃機関のノッキング判定装置
【課題】 ノッキングが発生したか否かを精度よく判定する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、エンジンの振動波形と予め記憶されたノック波形モデルとを複数のタイミングで比較して、振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出するステップ（Ｓ１０４）と、算出された相関係数Ｋのうち最も大きい相関係数Ｋに基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１０６）と、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定するステップ（Ｓ１１０）と、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定するステップ（Ｓ１１４）とを含む、プログラムを実行する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、エンジンの振動波形と予め記憶されたノック波形モデルとを複数のタイミングで比較して、振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出するステップ（Ｓ１０４）と、算出された相関係数Ｋのうち最も大きい相関係数Ｋに基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１０６）と、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定するステップ（Ｓ１１０）と、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定するステップ（Ｓ１１４）とを含む、プログラムを実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定する内燃機関のノッキング判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関のノッキングを検出する技術が知られている。特開２００１−２２７４００号公報（特許文献１）は、ノッキングの発生の有無を正確に判定することができる内燃機関用ノック制御装置を開示する。特許文献１に記載の内燃機関用ノック制御装置は、内燃機関で発生する振動波形信号を検出する信号検出部と、信号検出部で検出された振動波形信号が予め定められた値以上となる期間を発生期間として検出する発生期間検出部と、発生期間検出部で検出された発生期間におけるピーク位置を検出するピーク位置検出部と、発生期間とピーク位置との関係に基づき内燃機関におけるノック発生の有無を判定するノック判定部と、ノック判定部による判定結果に応じて内燃機関の運転状態を制御するノック制御部とを含む。ノック判定部は、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるときにはノック（ノッキング）発生有りと判定する。
【０００３】
この公報に記載の内燃機関用ノック制御装置によれば、内燃機関で発生する振動波形信号が信号検出部で検出され、その振動波形信号が予め定められた値以上となる発生期間とそのピーク位置とが発生期間検出部およびピーク位置検出部でそれぞれ検出される。このように、振動波形信号の発生期間のどの位置でピークが発生しているかが分かることで内燃機関におけるノック発生の有無がノック判定部にて判定され、このノック判定結果に応じて内燃機関の運転状態が制御される。ノック判定部では、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるとき、即ち、振動波形信号の予め定められた長さの発生期間に対してピーク位置が早めに現われるような波形形状であるときには、ノック発生時に特有のものであると認識される。これにより、内燃機関の運転状態が急変する過渡時や電気負荷のＯＮ／ＯＦＦ時においても、内燃機関におけるノック発生の有無が正確に判定され、内燃機関の運転状態を適切に制御することができる。
【特許文献１】特開２００１−２２７４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ノッキングが発生した場合であっても、ノッキングに起因した振動よりも大きい強度の振動がノイズとして検出される場合がある。すなわち、ノックセンサの異常や内燃機関自体の振動に起因した振動の強度が、ノッキングに起因した振動の強度よりも大きい場合がある。このような場合、特開２００１−２２７４００号公報に記載の内燃機関用ノック制御装置では、ノッキングが発生しているにも関わらず、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲外にあるため、ノッキングが発生していないと誤判定されるおそれがあるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と記憶された波形とを複数のタイミングで比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。
【０００７】
第１の発明によると、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを複数のタイミングで比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。これにより、クランク角についての予め定められた間隔において複数のタイミングで振動が発生した場合に、各タイミングでの振動がノッキングに起因した振動であるか否かを詳細に分析することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。
【０００８】
第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形において振動の強度が低下するタイミングで、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。
【０００９】
第２の発明によると、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを複数のタイミングで比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。これにより、クランク角についての予め定められた間隔において複数のタイミングで振動が発生した場合に、各タイミングでの振動がノッキングに起因した振動であるか否かを詳細に分析することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。
【００１０】
第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１または２の発明の構成に加え、検出された波形と記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含む。判定手段は、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける偏差に関する値に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。
【００１１】
第３の発明によると、検出された波形と記憶された波形との相違度合が偏差に関する値として数値化される。これにより検出された波形を数値により分析して、ノッキングが発生したか否かを客観的に判定することができる。また、算出された偏差に関する値のうち、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける偏差に関する値に基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００１２】
第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１または２の発明の構成に加え、検出された波形と記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段と、内燃機関の振動の強度を検出するための手段とをさらに含む。振動検出手段は、振動の強度に基づいて内燃機関の振動の波形を検出するための手段を含む。判定手段は、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、偏差に関する値および振動の強度に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む。
【００１３】
第４の発明によると、検出された波形と記憶された波形との相違度合が偏差に関する値として数値化される。これにより検出された波形を数値により分析して、ノッキングが発生したか否かを客観的に判定することができる。また、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、偏差に関する値および振動の強度の最大値に基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い波形およびその波形における振動の強度に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。本実施の形態に係るノッキング判定装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。
【００１６】
エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。
【００１７】
混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。
【００１８】
エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２とが接続されている。
【００１９】
ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。
【００２０】
タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランプポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角を検出する。
【００２１】
スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。
【００２２】
エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、メモリ２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。
【００２３】
本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。
【００２４】
ノッキングが発生したか否かを判定するため、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２には、図２に示すように、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルであるノック波形モデルが記憶されている。
【００２５】
ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。また、ノック波形モデルは、各周波数帯の振動の合成波である。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。
【００２６】
本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の振動に対応している。なお、図３に示すように、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。
【００２７】
ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られない。エンジンＥＣＵ２００は、検出された波形と記憶されたノック波形モデルとを比較して、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。
【００２８】
図４を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。
【００２９】
ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度を検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。
【００３０】
Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表す値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（以下、積算値と記載する）を算出する。積算値の算出は、各周波数帯の振動ごとに積算値が算出された後、各周波数帯の振動ごとの積算値が合成されることにより行なわれる。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００３１】
Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形とノック波形モデルとを５度ごとの間隔でずらした複数のタイミングで比較して、振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出する。このとき、振動波形は正規化された後、ノック波形モデルと比較される。ここで、振動波形の正規化とは、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で各積算値で除算することにより、図５に示すように振動の強度を０〜１の無次元数で表すことである。
【００３２】
また、相関係数Ｋは、各タイミングで正規化された後の振動波形とノック波形モデルとの偏差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより算出される。正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角におけるΔＳ（Ｉ）の総和である。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。
【００３３】
図４に戻って、Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。ノック強度Ｎは、算出された相関係数Ｋのうち最も大きい相関係数Ｋおよび相関係数Ｋが最も大きくなるタイミング内の積算値の最大値Ｐに基づいて算出される。エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表す値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬはメモリ２０２に記憶されている。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。
【００３４】
Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別する。ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０に移される。そうでない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、処理はＳ１１４に移される。
【００３５】
Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生したと判定する。Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。
【００３６】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００３７】
運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１００）。
【００３８】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が各周波数ごとに算出され、各周波数ごとに算出された積算値が合成される（Ｓ１０２）。これにより、図６に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００３９】
５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、振動の強度が細かく変化する複雑な形状の振動波形が検出されることを抑制することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。
【００４０】
ここでは、１５度から２０度までの積算値がノッキングに起因した振動の強度のピーク値として算出され、５０度から５５度までの積算値がノッキングに起因しない振動（ノイズ）のピーク値として算出されたと想定する。また、ノッキングに起因しない振動のピーク値は、ノッキングに起因した振動の強度のピーク値よりも大きい。
【００４１】
なお、図６においては、振動波形を矩形的に表しているが、各積算値を線で結び、線を用いて振動の波形を表してもよい。また、各積算値のみを点で表して振動波形を表してもよい。
【００４２】
図７に示すように、検出された振動波形とノック波形モデル（破線）とが、５度ごとの間隔でずれた複数のタイミングで比較され、各タイミングにおいて、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１０４）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。
【００４３】
なお、図７においては、正規化前の振動波形とノック波形モデル（破線）とを比較した状態を示しているが、実際には、上述したように正規化後の振動波形とノック波形モデルとが比較される。すなわち、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で、各積算値が除算されることにより、振動波形が正規化され、５度ごとの間隔でずれたタイミングごとに正規化された振動波形とノック波形モデルとの比較が行なわれる。また、図７において破線で示すノック波形モデルは、振動波形との比較が行なわれるタイミングの一部と対応したノック波形モデルである。
【００４４】
振動波形を正規化することにより、各タイミングにおける振動の強度の大きさに関わらず、１つのノック波形モデルを用いて全てのタイミングの振動波形を分析することができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。
【００４５】
相関係数Ｋが算出されると、相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１０６）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合に加えて、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。
【００４６】
ノック強度Ｎを算出される際に用いられる相関係数Ｋは、算出された相関係数Ｋのうちの最も大きい相関係数Ｋである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングで算出された相関係数Ｋを用いてノック強度Ｎが算出される。
【００４７】
また、ノック強度Ｎが算出される際に用いられる積算値の最大値Ｐは、最も大きい相関係数Ｋが算出されたタイミングにおける積算値の最大値である。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングであって、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値である。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い振動波形およびその振動波形における振動の強度に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００４８】
ここでは、ノック波形モデルの振動の強度のピーク値を、１５度から２０度までの積算値に合わせたタイミングにおいて算出される相関係数Ｋが最も大きくなると想定する。このタイミングにおいて振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角は、１５度から９０度であるため、ノック強度Ｎを算出する際に用いられる積算値の最大値Ｐには、５０度から５５度までの積算値が用いられる。
【００４９】
算出されたノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１０）、点火時期が遅角される（Ｓ１１２）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００５０】
一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１４）、点火時期が進角される（Ｓ１１６）。
【００５１】
以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵは、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形とノック波形モデルとを複数のタイミングで比較して、相関係数Ｋを算出する。算出された相関係数のうち最も大きい相関係数Ｋ、すなわち振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さいタイミングで算出された相関係数Ｋとそのタイミングでの積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎが算出される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きい場合、エンジンにノッキングが発生したと判定される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きくない場合、エンジンにノッキングが発生していないと判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の他にノッキングに起因しない振動が検出された場合に、各タイミングにおける振動を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングに起因しない振動のみを分析して、ノッキングが発生しているにも関わらずノッキングが発生していないと誤判定することを抑制することができる。その結果、精度よくノッキングが発生しているか否かを判定することができる。
【００５２】
＜第２の実施の形態＞
図８および図９を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態においては、５度ごとの間隔でずれた複数のタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較していた。それに対して、本実施の形態においては、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較する。その他の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００５３】
図８を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態と同じ処理については同じステップ番号を付し、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００５４】
Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数Ｋを算出する。このとき、振動波形は正規化された後、ノック波形モデルと比較される。
【００５５】
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００５６】
運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１００）。
【００５７】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が各周波数ごとに算出され、各周波数ごとに算出された積算値が合成される（Ｓ１０２）。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００５８】
ここでは、前述の第１の実施の形態と同様に、１５度から２０度までの積算値がノッキングに起因した振動の強度のピーク値であり、５０度から５５度までの積算値がノッキングに起因しない振動の強度のピーク値であると想定する。また、５０度から５５度までの積算値は、１５度から２０度までの積算値よりも大きい。
【００５９】
図９に示すように、振動波形における振動の強度（積算値）が低下するタイミングで、検出された振動波形とノック波形モデル（一点鎖線）とが比較され、各タイミングにおいて、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ２００）。
【００６０】
なお、図９においては、正規化前の振動波形とノック波形モデル（一点鎖線）とを比較した状態を示しているが、実際には、第１の実施の形態と同様に、正規化後の振動波形とノック波形モデルとが比較される。すなわち、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で、各積算値が除算されることにより、振動波形の正規化が行なわれ、正規化後の振動波形とノック波形モデルとの比較が行なわれる。
【００６１】
相関係数Ｋが算出されると、相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１０６）。ノック強度Ｎを算出される際に用いられる相関係数Ｋは、算出された相関係数Ｋのうちの最も大きい相関係数Ｋである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングで算出された相関係数Ｋを用いてノック強度Ｎが算出される。
【００６２】
また、ノック強度Ｎが算出される際に用いられる積算値の最大値Ｐは、最も大きい相関係数Ｋが算出されたタイミングにおける積算値の最大値Ｐである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングであって、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値Ｐである。
【００６３】
ここでは、ノック波形モデルの振動の強度のピーク値を、１５度から２０度までの積算値に合わせたタイミングにおいて算出される相関係数Ｋが最も大きくなると想定する。このタイミングにおいて振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角は、１５度から９０度であるため、ノック強度Ｎを算出する際に用いられる積算値の最大値Ｐには、５０度から５５度までの積算値が用いられる。
【００６４】
算出されたノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１０）、点火時期が遅角される（Ｓ１１２）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６５】
一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１４）、点火時期が進角される（Ｓ１１６）。
【００６６】
以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵは、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで、振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数Ｋを算出する。算出された相関係数のうち最も大きい相関係数Ｋ、すなわち振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さいタイミングで算出された相関係数Ｋとそのタイミングでの積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎが算出される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きい場合、エンジンにノッキングが発生したと判定される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きくない場合、エンジンにノッキングが発生していないと判定される。このようにすれば、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の第１の実施の形態に比べて相関係数Ｋを算出するタイミングを少なくすることができる。そのため、エンジンＥＣＵの負荷を軽減し、速やかにノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００６７】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置により制御されるエンジンを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図（その１）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図（その２）である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置においてエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。
【図５】正規化後の振動波形を示す図である。
【図６】正規化前の振動波形を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンの振動波形とノック波形モデルとを比較するタイミングを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置においてエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンの振動波形とノック波形モデルとを比較するタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００ エンジン、１０４ インジェクタ、１０６ 点火プラグ、１１０ クランクシャフト、２００ エンジンＥＣＵ、３００ ノックセンサ、３０２ 水温センサ、３０４ タイミングロータ、３０６ クランクポジションセンサ、３０８ スロットル開度センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定する内燃機関のノッキング判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関のノッキングを検出する技術が知られている。特開２００１−２２７４００号公報（特許文献１）は、ノッキングの発生の有無を正確に判定することができる内燃機関用ノック制御装置を開示する。特許文献１に記載の内燃機関用ノック制御装置は、内燃機関で発生する振動波形信号を検出する信号検出部と、信号検出部で検出された振動波形信号が予め定められた値以上となる期間を発生期間として検出する発生期間検出部と、発生期間検出部で検出された発生期間におけるピーク位置を検出するピーク位置検出部と、発生期間とピーク位置との関係に基づき内燃機関におけるノック発生の有無を判定するノック判定部と、ノック判定部による判定結果に応じて内燃機関の運転状態を制御するノック制御部とを含む。ノック判定部は、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるときにはノック（ノッキング）発生有りと判定する。
【０００３】
この公報に記載の内燃機関用ノック制御装置によれば、内燃機関で発生する振動波形信号が信号検出部で検出され、その振動波形信号が予め定められた値以上となる発生期間とそのピーク位置とが発生期間検出部およびピーク位置検出部でそれぞれ検出される。このように、振動波形信号の発生期間のどの位置でピークが発生しているかが分かることで内燃機関におけるノック発生の有無がノック判定部にて判定され、このノック判定結果に応じて内燃機関の運転状態が制御される。ノック判定部では、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲内にあるとき、即ち、振動波形信号の予め定められた長さの発生期間に対してピーク位置が早めに現われるような波形形状であるときには、ノック発生時に特有のものであると認識される。これにより、内燃機関の運転状態が急変する過渡時や電気負荷のＯＮ／ＯＦＦ時においても、内燃機関におけるノック発生の有無が正確に判定され、内燃機関の運転状態を適切に制御することができる。
【特許文献１】特開２００１−２２７４００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ノッキングが発生した場合であっても、ノッキングに起因した振動よりも大きい強度の振動がノイズとして検出される場合がある。すなわち、ノックセンサの異常や内燃機関自体の振動に起因した振動の強度が、ノッキングに起因した振動の強度よりも大きい場合がある。このような場合、特開２００１−２２７４００号公報に記載の内燃機関用ノック制御装置では、ノッキングが発生しているにも関わらず、発生期間に対するピーク位置が予め定められた範囲外にあるため、ノッキングが発生していないと誤判定されるおそれがあるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができるノッキング判定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形と記憶された波形とを複数のタイミングで比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。
【０００７】
第１の発明によると、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを複数のタイミングで比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。これにより、クランク角についての予め定められた間隔において複数のタイミングで振動が発生した場合に、各タイミングでの振動がノッキングに起因した振動であるか否かを詳細に分析することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。
【０００８】
第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、クランク角についての予め定められた間隔における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、検出された波形において振動の強度が低下するタイミングで、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む。
【０００９】
第２の発明によると、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを複数のタイミングで比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。これにより、クランク角についての予め定められた間隔において複数のタイミングで振動が発生した場合に、各タイミングでの振動がノッキングに起因した振動であるか否かを詳細に分析することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができるノッキング判定装置を提供することができる。
【００１０】
第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１または２の発明の構成に加え、検出された波形と記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含む。判定手段は、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける偏差に関する値に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む。
【００１１】
第３の発明によると、検出された波形と記憶された波形との相違度合が偏差に関する値として数値化される。これにより検出された波形を数値により分析して、ノッキングが発生したか否かを客観的に判定することができる。また、算出された偏差に関する値のうち、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける偏差に関する値に基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い波形に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００１２】
第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１または２の発明の構成に加え、検出された波形と記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段と、内燃機関の振動の強度を検出するための手段とをさらに含む。振動検出手段は、振動の強度に基づいて内燃機関の振動の波形を検出するための手段を含む。判定手段は、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、偏差に関する値および振動の強度に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む。
【００１３】
第４の発明によると、検出された波形と記憶された波形との相違度合が偏差に関する値として数値化される。これにより検出された波形を数値により分析して、ノッキングが発生したか否かを客観的に判定することができる。また、検出された波形と記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、偏差に関する値および振動の強度の最大値に基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い波形およびその波形における振動の強度に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１５】
＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。本実施の形態に係るノッキング判定装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。
【００１６】
エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。
【００１７】
混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。
【００１８】
エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２とが接続されている。
【００１９】
ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。
【００２０】
タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランプポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表す信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角を検出する。
【００２１】
スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表す信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。
【００２２】
エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、メモリ２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。
【００２３】
本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。
【００２４】
ノッキングが発生したか否かを判定するため、エンジンＥＣＵ２００のメモリ２０２には、図２に示すように、エンジン１００にノッキングが発生した場合の振動波形のモデルであるノック波形モデルが記憶されている。
【００２５】
ノック波形モデルにおいて、振動の強度は０〜１の無次元数として表され、振動の強度はクランク角と一義的には対応していない。すなわち、本実施の形態のノック波形モデルにおいては、振動の強度のピーク値以降、クランク角が大きくなるにつれ振動の強度が低減することが定められているが、振動の強度がピーク値となるクランク角は定められていない。また、ノック波形モデルは、各周波数帯の振動の合成波である。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。
【００２６】
本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングにより発生した振動の強度のピーク値以降の振動に対応している。なお、図３に示すように、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応したノック波形モデルを記憶してもよい。
【００２７】
ノック波形モデルは、実験などにより、強制的にノッキングを発生させた場合におけるエンジン１００の振動波形を検出し、この振動波形に基づいて予め作成されて記憶される。なお、ノック波形モデルを作成する方法は、これに限られない。エンジンＥＣＵ２００は、検出された波形と記憶されたノック波形モデルとを比較して、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。
【００２８】
図４を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。
【００２９】
ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度を検出する。振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。強度の検出は、燃焼行程において上死点から９０度（クランク角で９０度）までの間で行なわれる。
【００３０】
Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表す値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した値（以下、積算値と記載する）を算出する。積算値の算出は、各周波数帯の振動ごとに積算値が算出された後、各周波数帯の振動ごとの積算値が合成されることにより行なわれる。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００３１】
Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形とノック波形モデルとを５度ごとの間隔でずらした複数のタイミングで比較して、振動波形とノック波形モデルとの偏差に関する値である相関係数Ｋを算出する。このとき、振動波形は正規化された後、ノック波形モデルと比較される。ここで、振動波形の正規化とは、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で各積算値で除算することにより、図５に示すように振動の強度を０〜１の無次元数で表すことである。
【００３２】
また、相関係数Ｋは、各タイミングで正規化された後の振動波形とノック波形モデルとの偏差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより算出される。正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とし、ノック波形モデルにおける振動の強度をクランク角で積分した値（ノック波形モデルの面積）をＳとおくと、相関係数Ｋは、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓという方程式により算出される。ここで、ΣΔＳ（Ｉ）は、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角におけるΔＳ（Ｉ）の総和である。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。
【００３３】
図４に戻って、Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。ノック強度Ｎは、算出された相関係数Ｋのうち最も大きい相関係数Ｋおよび相関係数Ｋが最も大きくなるタイミング内の積算値の最大値Ｐに基づいて算出される。エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表す値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ×Ｋ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬはメモリ２０２に記憶されている。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。
【００３４】
Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きいか否かを判別する。ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、処理はＳ１１０に移される。そうでない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、処理はＳ１１４に移される。
【００３５】
Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生したと判定する。Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン１００にノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。
【００３６】
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００３７】
運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１００）。
【００３８】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が各周波数ごとに算出され、各周波数ごとに算出された積算値が合成される（Ｓ１０２）。これにより、図６に示すように、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００３９】
５度ごとの積算値により振動波形を検出することにより、振動の強度が細かく変化する複雑な形状の振動波形が検出されることを抑制することができる。そのため、検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を容易にすることができる。
【００４０】
ここでは、１５度から２０度までの積算値がノッキングに起因した振動の強度のピーク値として算出され、５０度から５５度までの積算値がノッキングに起因しない振動（ノイズ）のピーク値として算出されたと想定する。また、ノッキングに起因しない振動のピーク値は、ノッキングに起因した振動の強度のピーク値よりも大きい。
【００４１】
なお、図６においては、振動波形を矩形的に表しているが、各積算値を線で結び、線を用いて振動の波形を表してもよい。また、各積算値のみを点で表して振動波形を表してもよい。
【００４２】
図７に示すように、検出された振動波形とノック波形モデル（破線）とが、５度ごとの間隔でずれた複数のタイミングで比較され、各タイミングにおいて、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ１０４）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合を数値化して客観的に判定することができる。
【００４３】
なお、図７においては、正規化前の振動波形とノック波形モデル（破線）とを比較した状態を示しているが、実際には、上述したように正規化後の振動波形とノック波形モデルとが比較される。すなわち、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で、各積算値が除算されることにより、振動波形が正規化され、５度ごとの間隔でずれたタイミングごとに正規化された振動波形とノック波形モデルとの比較が行なわれる。また、図７において破線で示すノック波形モデルは、振動波形との比較が行なわれるタイミングの一部と対応したノック波形モデルである。
【００４４】
振動波形を正規化することにより、各タイミングにおける振動の強度の大きさに関わらず、１つのノック波形モデルを用いて全てのタイミングの振動波形を分析することができる。そのため、振動の強度に対応した多数のノック波形モデルを記憶しておく必要がなく、ノック波形モデルの作成を容易にすることができる。
【００４５】
相関係数Ｋが算出されると、相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１０６）。これにより、検出された振動波形とノック波形モデルとの一致度合に加えて、振動の強度に基づいて、エンジン１００の振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。
【００４６】
ノック強度Ｎを算出される際に用いられる相関係数Ｋは、算出された相関係数Ｋのうちの最も大きい相関係数Ｋである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングで算出された相関係数Ｋを用いてノック強度Ｎが算出される。
【００４７】
また、ノック強度Ｎが算出される際に用いられる積算値の最大値Ｐは、最も大きい相関係数Ｋが算出されたタイミングにおける積算値の最大値である。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングであって、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値である。これにより、ノッキングに起因した振動の波形である可能性が高い振動波形およびその振動波形における振動の強度に基づいて、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００４８】
ここでは、ノック波形モデルの振動の強度のピーク値を、１５度から２０度までの積算値に合わせたタイミングにおいて算出される相関係数Ｋが最も大きくなると想定する。このタイミングにおいて振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角は、１５度から９０度であるため、ノック強度Ｎを算出する際に用いられる積算値の最大値Ｐには、５０度から５５度までの積算値が用いられる。
【００４９】
算出されたノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１０）、点火時期が遅角される（Ｓ１１２）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００５０】
一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１４）、点火時期が進角される（Ｓ１１６）。
【００５１】
以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵは、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形とノック波形モデルとを複数のタイミングで比較して、相関係数Ｋを算出する。算出された相関係数のうち最も大きい相関係数Ｋ、すなわち振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さいタイミングで算出された相関係数Ｋとそのタイミングでの積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎが算出される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きい場合、エンジンにノッキングが発生したと判定される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きくない場合、エンジンにノッキングが発生していないと判定される。これにより、ノッキングに起因した振動の他にノッキングに起因しない振動が検出された場合に、各タイミングにおける振動を分析してノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、ノッキングに起因しない振動のみを分析して、ノッキングが発生しているにも関わらずノッキングが発生していないと誤判定することを抑制することができる。その結果、精度よくノッキングが発生しているか否かを判定することができる。
【００５２】
＜第２の実施の形態＞
図８および図９を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。前述の第１の実施の形態においては、５度ごとの間隔でずれた複数のタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較していた。それに対して、本実施の形態においては、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較する。その他の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００５３】
図８を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、前述の第１の実施の形態と同じ処理については同じステップ番号を付し、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
【００５４】
Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数Ｋを算出する。このとき、振動波形は正規化された後、ノック波形モデルと比較される。
【００５５】
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係るノッキング判定装置のエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００５６】
運転者がイグニッションスイッチ３１２をオン操作し、エンジン１００が始動すると、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１００）。
【００５７】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が各周波数ごとに算出され、各周波数ごとに算出された積算値が合成される（Ｓ１０２）。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００５８】
ここでは、前述の第１の実施の形態と同様に、１５度から２０度までの積算値がノッキングに起因した振動の強度のピーク値であり、５０度から５５度までの積算値がノッキングに起因しない振動の強度のピーク値であると想定する。また、５０度から５５度までの積算値は、１５度から２０度までの積算値よりも大きい。
【００５９】
図９に示すように、振動波形における振動の強度（積算値）が低下するタイミングで、検出された振動波形とノック波形モデル（一点鎖線）とが比較され、各タイミングにおいて、正規化後の振動波形とノック波形モデルとのクランク角ごとの偏差の絶対値ΔＳ（Ｉ）が算出される。このΔＳ（Ｉ）の総和ΣΔＳ（Ｉ）およびノック波形モデルにおいて振動の強度をクランク角で積分した値Ｓに基づいて、Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓにより相関係数Ｋが算出される（Ｓ２００）。
【００６０】
なお、図９においては、正規化前の振動波形とノック波形モデル（一点鎖線）とを比較した状態を示しているが、実際には、第１の実施の形態と同様に、正規化後の振動波形とノック波形モデルとが比較される。すなわち、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値で、各積算値が除算されることにより、振動波形の正規化が行なわれ、正規化後の振動波形とノック波形モデルとの比較が行なわれる。
【００６１】
相関係数Ｋが算出されると、相関係数Ｋと積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬで除算することにより、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１０６）。ノック強度Ｎを算出される際に用いられる相関係数Ｋは、算出された相関係数Ｋのうちの最も大きい相関係数Ｋである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングで算出された相関係数Ｋを用いてノック強度Ｎが算出される。
【００６２】
また、ノック強度Ｎが算出される際に用いられる積算値の最大値Ｐは、最も大きい相関係数Ｋが算出されたタイミングにおける積算値の最大値Ｐである。すなわち、振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さくなるタイミングであって、振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角における積算値の最大値Ｐである。
【００６３】
ここでは、ノック波形モデルの振動の強度のピーク値を、１５度から２０度までの積算値に合わせたタイミングにおいて算出される相関係数Ｋが最も大きくなると想定する。このタイミングにおいて振動波形とノック波形モデルとが重複するクランク角は、１５度から９０度であるため、ノック強度Ｎを算出する際に用いられる積算値の最大値Ｐには、５０度から５５度までの積算値が用いられる。
【００６４】
算出されたノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きい場合（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１０）、点火時期が遅角される（Ｓ１１２）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６５】
一方、ノック強度Ｎが予め定められた判定値よりも大きくない場合（Ｓ１０８にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１４）、点火時期が進角される（Ｓ１１６）。
【００６６】
以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンＥＣＵは、ノックセンサから送信された信号に基づいてエンジンの振動波形を検出し、振動波形において振動の強度が低下するタイミングで、振動波形とノック波形モデルとを比較して、相関係数Ｋを算出する。算出された相関係数のうち最も大きい相関係数Ｋ、すなわち振動波形とノック波形モデルとの偏差が最も小さいタイミングで算出された相関係数Ｋとそのタイミングでの積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎが算出される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きい場合、エンジンにノッキングが発生したと判定される。ノック強度Ｎが判定値よりも大きくない場合、エンジンにノッキングが発生していないと判定される。このようにすれば、前述の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができるとともに、前述の第１の実施の形態に比べて相関係数Ｋを算出するタイミングを少なくすることができる。そのため、エンジンＥＣＵの負荷を軽減し、速やかにノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【００６７】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置により制御されるエンジンを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図（その１）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置におけるエンジンＥＣＵのメモリに記憶されたノック波形モデルを示す図（その２）である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置においてエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。
【図５】正規化後の振動波形を示す図である。
【図６】正規化前の振動波形を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンの振動波形とノック波形モデルとを比較するタイミングを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置においてエンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係るノッキング判定装置において、エンジンの振動波形とノック波形モデルとを比較するタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００ エンジン、１０４ インジェクタ、１０６ 点火プラグ、１１０ クランクシャフト、２００ エンジンＥＣＵ、３００ ノックセンサ、３０２ 水温センサ、３０４ タイミングロータ、３０６ クランクポジションセンサ、３０８ スロットル開度センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
前記検出された波形と前記記憶された波形とを複数のタイミングで比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項２】
内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
前記検出された波形において振動の強度が低下するタイミングで、前記検出された波形と前記記憶された波形とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記ノッキング判定装置は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含み、
前記判定手段は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける前記偏差に関する値に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項４】
前記ノッキング判定装置は、
前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段と、
前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段とをさらに含み、
前記振動検出手段は、前記振動の強度に基づいて前記内燃機関の振動の波形を検出するための手段を含み、
前記判定手段は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、前記偏差に関する値および振動の強度に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項１】
内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
前記検出された波形と前記記憶された波形とを複数のタイミングで比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項２】
内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出手段と、
クランク角についての予め定められた間隔における前記内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出手段と、
前記内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶手段と、
前記検出された波形において振動の強度が低下するタイミングで、前記検出された波形と前記記憶された波形とを比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを含む、内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記ノッキング判定装置は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段をさらに含み、
前記判定手段は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける前記偏差に関する値に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項４】
前記ノッキング判定装置は、
前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差に関する値を算出するための手段と、
前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段とをさらに含み、
前記振動検出手段は、前記振動の強度に基づいて前記内燃機関の振動の波形を検出するための手段を含み、
前記判定手段は、前記検出された波形と前記記憶された波形との偏差が最も小さくなるタイミングにおける、前記偏差に関する値および振動の強度に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−１７７２５９（Ｐ２００６−１７７２５９Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７１８９８（Ｐ２００４−３７１８９８）
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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