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、ノッキングに起因した振動の波形として検出された波形とノッキングに起因した振動の波形としてメモリに記憶されたノック波形モデルとを、ノッキングに起因しない振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角を除くクランク角において比較した結果に基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１０８）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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定するステップ（Ｓ１１２）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（Ｓ１１０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（Ｓ１１６）とを含む、プログラムを実行する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、ノッキングに起因した振動の波形として検出された波形とノッキングに起因した振動の波形としてメモリに記憶されたノック波形モデルとを、ノッキングに起因しない振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角を除くクランク角において比較した結果に基づいて、ノック強度Ｎを算出するステップ（Ｓ１０８）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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定するステップ（Ｓ１１２）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（Ｓ１１０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（Ｓ１１６）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、第１の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、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、第１の周波数帯における振動の強度に基づいて、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比較した結果および第２の周波数帯における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、第１の周波数帯（たとえばノッキングに起因した振動の周波数帯）および第２の周波数帯（たとえばノッキングに起因しない振動の周波数帯）の振動の強度が検出される。第１の周波数帯の振動の強度に基づいて、内燃機関の振動の波形が検出される。検出された波形が、ノッキングに起因する振動の波形として予め記憶されたノック波形モデルと比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。ノック波形モデルと検出された波形とは、第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた値よりも小さいタイミングにおいて比較される。これにより、第２の周波数帯の振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。そのため、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングでノッキングに起因しない振動が発生したために、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においては、第１の発明の構成に加え、判定手段は、第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた強度よりも小さいタイミングにおいて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手段を含む。
【０００９】
第２の発明によると、第２の周波数帯の振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。これにより、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングに振動のピーク値があるために、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。
【００１０】
第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１または２の発明の構成に加え、第１の周波数帯は、ノッキングに起因する振動の周波数帯である。第２の周波数帯は、ノッキングに起因しない振動の周波数帯である。
【００１１】
第３の発明によると、ノッキングに起因しない振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。これにより、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングに振動のピーク値があるために、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においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、第１の周波数帯は、内燃機関の共振周波数を含まない周波数帯である。
【００１３】
第４の発明によると、ノッキングの有無に関わらずに発生する内燃機関の共振周波数の振動を含まずに、内燃機関の振動の波形を検出することができる。これにより、ノッキングに起因した振動の波形を精度よく検出することができる。
【００１４】
第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、第１の周波数帯よりも狭い周波数帯である。
【００１５】
第５の発明によると、第２の周波数帯の振動に含まれ得る他の周波数帯の振動によるノイズを抑制することができる。
【００１６】
第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００１７】
第６の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【００１８】
第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関に設けられたインジェクタに燃料を供給するポンプの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００１９】
第７の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、ポンプの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【００２０】
第８の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関に設けられたインジェクタの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００２１】
第８の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、インジェクタの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１を参照して、本発明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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。すなわち、ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂ、第３の周波数帯Ｃおよび第４の周波数帯Ｄに含まれる周波数の振動が発生する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。また、ノッキングに起因する振動の周波数を含む周波数帯は４つに限らない。
【００３３】
これらの周波数帯のうち、第４の周波数帯Ｄには、図２において一点鎖線で示すエンジン１００自体の共振周波数が含まれる。共振周波数の振動は、ノッキングの有無に関わらず発生する。
【００３４】
そのため、本実施の形態においては、共振周波数を含まない第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の強度（大きさ）に基づいて、振動波形を検出する。なお、振動波形の検出に用いられる周波数帯の数は３つに限らない。検出された振動波形は、後述するノック波形モデルと比較される。
【００３５】
また、エンジン１００の振動には、ノッキングに起因せず、エンジン１００自体の機械的な作動に起因する振動がある。ノッキングに起因した振動波形を検出する際には、ノッキングに起因しない振動の影響を受け、振動波形にノイズが混在する。
【００３６】
このようなノイズを含んだ振動波形に基づいてノッキングの有無を判断することによる誤判定を抑制するため、本実施の形態においては、ノッキングに起因した振動の周波数を含まない第５の周波数帯Ｅの振動を検出する。第５の周波数帯Ｅに含まれる周波数の振動には、エンジン１００のシリンダに対して設けられた吸気バルブ１１６および排気バルブ１１８、インジェクタ１０４に燃料を供給するポンプ（筒内直接噴射エンジンにおける高圧ポンプなど）１２０、およびインジェクタ１０４の作動に起因して発生する振動が考えられる。
【００３７】
なお、図２においては、第５の周波数帯Ｅは、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも高い周波数帯であるが、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも低い周波数帯であったり、隣接する周波数帯の間の周波数帯であってもよい。また、第５の周波数帯Ｅは、他の周波数帯よりも狭い周波数帯である。これにより、ノッキングに起因しない振動の強度のみを精度よく検出することができる。
【００３８】
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３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。
【００３９】
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、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の合成波である。
【００４０】
本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応している。なお、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たノック波形モデルを記憶してもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数帯Ｅの振動ごとに行なわれる。また、算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の積算値が合成される。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００４５】
Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ１０２は、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角以外のクランク角の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、たとえば検出された振動波形における積算値の最大値で、各積算値を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をいう。なお、各積算値を除算する値は、積算値の最大値に限らない。
【００４６】
図４に戻って、Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された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。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化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、相関係数Ｋが算出される。
【００４７】
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、上死点から９０度までのΔＳ（Ｉ）の総和である。このとき、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角におけるデータは無視される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。
【００４８】
Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。算出された積算値の最大値をＰとし、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。このとき、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角におけるデータは無視される。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。
【００４９】
Ｓ１１０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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。そうでない場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１６に移される。
【００５０】
Ｓ１１２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。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１６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。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。
【００５１】
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におけるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００５２】
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）。
【００５３】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数帯Ｅの周波数の振動ごとに算出され（Ｓ１０２）。算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの振動の積算値が合成される。これにより、図６に示すように、エンジン１００の振動波形が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃにおける振動の合成波として検出されるとともに、ノッキングに起因しない振動の波形が、第５の周波数帯Ｅの振動の波形として検出される。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ここでは、クランク角で４５度から６５度において、第５の周波数帯Ｅの振動の積算値（振動の強度）が、破線で示す予め定められた積算値（強度）よりも大きいと想定する。この場合、クランク角で４５度から６５度までにおいて、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動波形に含まれるノイズの割合が高いと考えられる。
【００５７】
ノイズの割合が高い振動波形に基づいてノッキングの有無を判定すると、誤判定となる確率が高くなる。したがって、振動波形に含まれるノイズの影響を抑制する必要がある。そのため、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角、すなわち４５度から６５度を除くクランク角において、最大の積算値により各積算値が除算されて、振動波形が正規化される（Ｓ１０４）。
【００５８】
ここでは、１５度から２０度までの積算値により各積算値が除算されて、振動波形が正規化されたと想定する。正規化により、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。これにより、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。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。
【００５９】
図７に示すように、正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ、この状態で、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（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を数値化して客観的に判定することができる。
【００６０】
このとき、４５度から６５度までの間、すなわち、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角においては、振動波形とノック波形モデルとの偏差が算出されない。これにより、振動波形に含まれるノイズの割合が高いと考えられる振動波形に基づいて、相関係数Ｋを算出することを抑制することができる。そのため、振動波形に含まれるノイズの影響を抑制することができる。
【００６１】
このようにして算出された相関係数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（Ｓ１０８）。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。ここでは、相関係数Ｋと１５度から２０度までの積算値との積をＢＧＬで除算することによりノック強度Ｋが算出されれたと想定する。
【００６２】
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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１２）、点火時期が遅角される（Ｓ１１４）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６３】
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（Ｓ１１０にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１６）、点火時期が進角される（Ｓ１１８）。
【００６４】
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、ノッキングに起因する振動の波形を検出する。ノッキングに起因しない振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角以外のクランク角において、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。さらに相関係数Ｋと振動波形における積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎを算出する。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、振動波形に含まれ得るノイズの影響を抑制して、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、ノッキングが発生していないにも関わらず、エンジンの振動が大きいためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングが発生しているにも関わらず、ノッキングに起因した振動よりも強度の大きい振動が、ノッキングに起因した振動とは異なるタイミングで発生したために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、そのため、ノッキングが発生したか否かを精度良く判定することができる。
【００６５】
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】
【００６６】
【図１】本発明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】エンジンで発生する振動の周波数を示す図である。
【図３】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である。
【図４】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】正規化後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】
【００６７】
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、１１６ 吸気バルブ、１１８ 排気バルブ、１２０ ポンプ、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、第１の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、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、第１の周波数帯における振動の強度に基づいて、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比較した結果および第２の周波数帯における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、第１の周波数帯（たとえばノッキングに起因した振動の周波数帯）および第２の周波数帯（たとえばノッキングに起因しない振動の周波数帯）の振動の強度が検出される。第１の周波数帯の振動の強度に基づいて、内燃機関の振動の波形が検出される。検出された波形が、ノッキングに起因する振動の波形として予め記憶されたノック波形モデルと比較され、ノッキングが発生したか否かが判定される。ノック波形モデルと検出された波形とは、第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた値よりも小さいタイミングにおいて比較される。これにより、第２の周波数帯の振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。そのため、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングでノッキングに起因しない振動が発生したために、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においては、第１の発明の構成に加え、判定手段は、第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた強度よりも小さいタイミングにおいて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手段を含む。
【０００９】
第２の発明によると、第２の周波数帯の振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。これにより、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングに振動のピーク値があるために、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。
【００１０】
第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１または２の発明の構成に加え、第１の周波数帯は、ノッキングに起因する振動の周波数帯である。第２の周波数帯は、ノッキングに起因しない振動の周波数帯である。
【００１１】
第３の発明によると、ノッキングに起因しない振動によるノイズが少ないタイミングでノック波形モデルと検出された波形とを比較することができる。これにより、ノッキングが発生していないにも関わらず、ノッキングに起因しない振動によるノイズが多いためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングは発生しているにも関わらず、ノッキングが発生するタイミング（クランク角）とは異なるタイミングに振動のピーク値があるために、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においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、第１の周波数帯は、内燃機関の共振周波数を含まない周波数帯である。
【００１３】
第４の発明によると、ノッキングの有無に関わらずに発生する内燃機関の共振周波数の振動を含まずに、内燃機関の振動の波形を検出することができる。これにより、ノッキングに起因した振動の波形を精度よく検出することができる。
【００１４】
第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、第１の周波数帯よりも狭い周波数帯である。
【００１５】
第５の発明によると、第２の周波数帯の振動に含まれ得る他の周波数帯の振動によるノイズを抑制することができる。
【００１６】
第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００１７】
第６の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【００１８】
第７の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関に設けられたインジェクタに燃料を供給するポンプの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００１９】
第７の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、ポンプの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【００２０】
第８の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加え、第２の周波数帯は、内燃機関に設けられたインジェクタの作動に起因して発生する振動の周波数帯である。
【００２１】
第８の発明によると、ノッキングに起因しない振動の強度として、インジェクタの作動に起因して発生する振動の強度を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１を参照して、本発明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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。すなわち、ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂ、第３の周波数帯Ｃおよび第４の周波数帯Ｄに含まれる周波数の振動が発生する。なお、図２におけるＣＡは、クランク角（Crank Angle）を示す。また、ノッキングに起因する振動の周波数を含む周波数帯は４つに限らない。
【００３３】
これらの周波数帯のうち、第４の周波数帯Ｄには、図２において一点鎖線で示すエンジン１００自体の共振周波数が含まれる。共振周波数の振動は、ノッキングの有無に関わらず発生する。
【００３４】
そのため、本実施の形態においては、共振周波数を含まない第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の強度（大きさ）に基づいて、振動波形を検出する。なお、振動波形の検出に用いられる周波数帯の数は３つに限らない。検出された振動波形は、後述するノック波形モデルと比較される。
【００３５】
また、エンジン１００の振動には、ノッキングに起因せず、エンジン１００自体の機械的な作動に起因する振動がある。ノッキングに起因した振動波形を検出する際には、ノッキングに起因しない振動の影響を受け、振動波形にノイズが混在する。
【００３６】
このようなノイズを含んだ振動波形に基づいてノッキングの有無を判断することによる誤判定を抑制するため、本実施の形態においては、ノッキングに起因した振動の周波数を含まない第５の周波数帯Ｅの振動を検出する。第５の周波数帯Ｅに含まれる周波数の振動には、エンジン１００のシリンダに対して設けられた吸気バルブ１１６および排気バルブ１１８、インジェクタ１０４に燃料を供給するポンプ（筒内直接噴射エンジンにおける高圧ポンプなど）１２０、およびインジェクタ１０４の作動に起因して発生する振動が考えられる。
【００３７】
なお、図２においては、第５の周波数帯Ｅは、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも高い周波数帯であるが、第１の周波数帯Ａから第４の周波数帯Ｄよりも低い周波数帯であったり、隣接する周波数帯の間の周波数帯であってもよい。また、第５の周波数帯Ｅは、他の周波数帯よりも狭い周波数帯である。これにより、ノッキングに起因しない振動の強度のみを精度よく検出することができる。
【００３８】
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３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。
【００３９】
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、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の合成波である。
【００４０】
本実施の形態におけるノック波形モデルは、ノッキングに起因した振動の立ち上がり以降の振動に対応している。なお、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たノック波形モデルを記憶してもよい。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数帯Ｅの振動ごとに行なわれる。また、算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動の積算値が合成される。これにより、エンジン１００の振動波形が検出される。
【００４５】
Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ１０２は、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角以外のクランク角の振動波形を正規化する。ここで、正規化とは、たとえば検出された振動波形における積算値の最大値で、各積算値を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をいう。なお、各積算値を除算する値は、積算値の最大値に限らない。
【００４６】
図４に戻って、Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、正規化された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。正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、正規化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、相関係数Ｋが算出される。
【００４７】
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、上死点から９０度までのΔＳ（Ｉ）の総和である。このとき、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角におけるデータは無視される。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。
【００４８】
Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。算出された積算値の最大値をＰとし、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。このとき、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角におけるデータは無視される。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。
【００４９】
Ｓ１１０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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。そうでない場合（Ｓ１１０にてＮＯ）、処理はＳ１１６に移される。
【００５０】
Ｓ１１２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。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。Ｓ１１６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。Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。
【００５１】
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におけるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００５２】
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）。
【００５３】
燃焼行程における上死点から９０度までの間において、５度ごとの積算値が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃおよび第５の周波数帯Ｅの周波数の振動ごとに算出され（Ｓ１０２）。算出された積算値のうち、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃまでの振動の積算値が合成される。これにより、図６に示すように、エンジン１００の振動波形が第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃにおける振動の合成波として検出されるとともに、ノッキングに起因しない振動の波形が、第５の周波数帯Ｅの振動の波形として検出される。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
ここでは、クランク角で４５度から６５度において、第５の周波数帯Ｅの振動の積算値（振動の強度）が、破線で示す予め定められた積算値（強度）よりも大きいと想定する。この場合、クランク角で４５度から６５度までにおいて、第１の周波数帯Ａから第３の周波数帯Ｃの振動波形に含まれるノイズの割合が高いと考えられる。
【００５７】
ノイズの割合が高い振動波形に基づいてノッキングの有無を判定すると、誤判定となる確率が高くなる。したがって、振動波形に含まれるノイズの影響を抑制する必要がある。そのため、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角、すなわち４５度から６５度を除くクランク角において、最大の積算値により各積算値が除算されて、振動波形が正規化される（Ｓ１０４）。
【００５８】
ここでは、１５度から２０度までの積算値により各積算値が除算されて、振動波形が正規化されたと想定する。正規化により、振動波形における振動の強度が０〜１の無次元数で表される。これにより、振動の強度に関係なく検出された振動波形とノック波形モデルとの比較を行なうことができる。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。
【００５９】
図７に示すように、正規化後の振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させ、この状態で、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（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を数値化して客観的に判定することができる。
【００６０】
このとき、４５度から６５度までの間、すなわち、第５の周波数帯Ｅの振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角においては、振動波形とノック波形モデルとの偏差が算出されない。これにより、振動波形に含まれるノイズの割合が高いと考えられる振動波形に基づいて、相関係数Ｋを算出することを抑制することができる。そのため、振動波形に含まれるノイズの影響を抑制することができる。
【００６１】
このようにして算出された相関係数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（Ｓ１０８）。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。ここでは、相関係数Ｋと１５度から２０度までの積算値との積をＢＧＬで除算することによりノック強度Ｋが算出されれたと想定する。
【００６２】
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（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定され（Ｓ１１２）、点火時期が遅角される（Ｓ１１４）。これにより、ノッキングの発生が抑制される。
【００６３】
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（Ｓ１１０にてＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定され（Ｓ１１６）、点火時期が進角される（Ｓ１１８）。
【００６４】
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、ノッキングに起因する振動の波形を検出する。ノッキングに起因しない振動の強度が予め定められた強度よりも大きいクランク角以外のクランク角において、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。さらに相関係数Ｋと振動波形における積算値の最大値Ｐとの積をＢＧＬにより除算して、ノック強度Ｎを算出する。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、振動波形に含まれ得るノイズの影響を抑制して、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、ノッキングが発生していないにも関わらず、エンジンの振動が大きいためにノッキングが発生したと誤判定することを抑制することができる。また、ノッキングが発生しているにも関わらず、ノッキングに起因した振動よりも強度の大きい振動が、ノッキングに起因した振動とは異なるタイミングで発生したために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、そのため、ノッキングが発生したか否かを精度良く判定することができる。
【００６５】
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】
【００６６】
【図１】本発明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】エンジンで発生する振動の周波数を示す図である。
【図３】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である。
【図４】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】正規化後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】
【００６７】
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、１１６ 吸気バルブ、１１８ 排気バルブ、１２０ ポンプ、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】
第１の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
前記第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯における前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
前記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、
前記第１の周波数帯における振動の強度に基づいて、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比較した結果および前記第２の周波数帯における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】
前記判定手段は、前記第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた強度よりも小さいタイミングにおいて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手段を含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記第１の周波数帯は、ノッキングに起因する振動の周波数帯であり、
前記第２の周波数帯は、ノッキングに起因しない振動の周波数帯である、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】
前記第１の周波数帯は、前記内燃機関の共振周波数を含まない周波数帯である、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項５】
前記第２の周波数帯は、前記第１の周波数帯よりも狭い周波数帯である、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項６】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項７】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関に設けられたインジェクタに燃料を供給するポンプの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項８】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関に設けられたインジェクタの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項１】
第１の周波数帯における内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
前記第１の周波数帯とは異なる第２の周波数帯における前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
前記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、
前記第１の周波数帯における振動の強度に基づいて、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比較した結果および前記第２の周波数帯における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】
前記判定手段は、前記第２の周波数帯における振動の強度が予め定められた強度よりも小さいタイミングにおいて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手段を含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項３】
前記第１の周波数帯は、ノッキングに起因する振動の周波数帯であり、
前記第２の周波数帯は、ノッキングに起因しない振動の周波数帯である、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】
前記第１の周波数帯は、前記内燃機関の共振周波数を含まない周波数帯である、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項５】
前記第２の周波数帯は、前記第１の周波数帯よりも狭い周波数帯である、請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項６】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関の気筒に対して設けられた吸気バルブおよび排気バルブの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項７】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関に設けられたインジェクタに燃料を供給するポンプの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項８】
前記第２の周波数帯は、前記内燃機関に設けられたインジェクタの作動に起因して発生する振動の周波数帯である、請求項１〜５のいずれか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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１７７３１９（Ｐ２００６−１７７３１９Ａ）
【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２００４−３７３９４８（Ｐ２００４−３７３９４８）
【出願日】平成１６年１２月２４日（２００４．１２．２４）
【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２４日（２００４．１２．２４）
【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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