(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関で発生するノックを検出して点火時期を制御するノック検出装置であって、燃料の燃焼によって発生するイオン電流に重畳する振動成分を抽出し、ノック検出しきい値以上の成分についてパルス波形に波形整形し、該パルス波形のパルス数を機関制御用手段によって、カウント、演算処理してノック強度を算出し、該ノック強度に基づいて点火時期を制御するノック検出装置において、
イオン電流の情報に基づいて、上記ノック検出しきい値を変化させるノック検出しきい値調整手段を備えた
ことを特徴とするノック検出装置。
【請求項２】
上記ノック検出しきい値調整手段は、上記イオン電流の積分値に基づいて上記ノック検出しきい値を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載のノック検出装置。
【請求項３】
上記ノック検出しきい値調整手段は、上記イオン電流の積分値と上記イオン電流のピーク値とに基づいて上記ノック検出しきい値を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載のノック検出装置。
【請求項４】
上記ノック検出しきい値調整手段は、上記イオン電流の積分値、上記イオン電流のピーク値および上記イオン電流を波形整形したデューティに基づいて上記ノック検出しきい値を変化させる
ことを特徴とする請求項１記載のノック検出装置。
【請求項５】
上記ノック検出しきい値調整手段は、燃焼サイクル毎の上記ノック検出しきい値の変動を平滑化する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のノック検出装置。
【請求項６】
上記イオン電流の振動成分を抽出する区間を、燃焼パルスの発生している区間とするマスク手段をさらに備えた
とを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のノック検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関で発生するノックを検出し、点火時期を制御するノック検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のシリンダー内で燃料を燃焼させるとイオンが発生することが一般に知られている。そこで、シリンダー内に高電圧を印加したプローブを設置すると、このイオンをイオン電流として観測することができる。また、内燃機関でノックが発生すると、このイオン電流にノックの振動成分が重畳するため、この振動成分を抽出することでノックの発生を検出することができる。
【０００３】
図１３はイオン電流を用いた従来のノック検出装置の回路図である。この回路においては、まず、点火プラグ１をイオン電流の検出プローブとしている。そして、イグニッションコイル２の２次電圧を利用してイオン電流を検出するための高電圧（バイアス電圧）をバイアス手段３にチャージしている。点火のための放電が終了すると、放電期間中にチャージされたバイアス電圧がプラグ１端に印加されイオン電流が検出される。
【０００４】
この装置においては、ノック検出回路４がイオン電流から抽出された振動成分を所定のしきい値に基づいてパルス波形に波形整形する。そのパルス波形のパルス数の変動をＥＣＵ５で演算処理し、その結果によって点火時期を調整してノックの発生を抑制している。
【０００５】
一般に、イオン電流のピーク値は機関の運転条件や燃料の種類によって変化するが、低回転ではイオン電流は小さく、高回転になると大きくなる傾向が見られる。その値は数μＡ〜数百μＡとなる。
【０００６】
図１４は図１３のノック検出回路４を詳細に示すブロック図である。バイアス手段３によって印加される高電圧によってイオン電流が入力されると、イオン電流は電流分配手段７によって、振動成分を抽出するＢＰＦ（バンドパスフィルター）８とマスク９に分配される。マスク９は所定のしきい値でイオン電流を波形整形してパルスを生成する手段と、点火によるノイズをカットするため所定時間そのパルスをマスクする手段から構成されている。このパルスによって燃焼／失火が判定可能である、このパルスを以降、燃焼パルスと呼ぶ。
【０００７】
window１０は燃焼パルスがＯＮになるとイオン電流の積分を開始する。この積分値が所定の値に達したところでノック検出windowが開く。積分値が所定値に達するまでの間はノックパルスが発生しないように出力が固定される。また、燃焼パルスがＯＦＦになるとノック検出windowも閉じる。
【０００８】
ノックの振動成分はＢＰＦ８で抽出された後、アンプ１１で増幅される。その振動成分が比較部１３で所定のしきい値によって波形整形され、ノックパルスが生成される。この所定のしきい値は、ノック検出しきい値設定部に設定されている。
【０００９】
図１５は図１４の回路の各部の動作波形例を示すものである。また、図１６はノック／ノーノック時のノックパルス数のＳ／Ｎグラフである。
【００１０】
ここまでは１気筒分の波形で説明をしてきたが、実際の機関は複数の気筒からなっている。ここでは４気筒の内燃機関を例に説明を行う。図１７は４気筒のイオン電流を処理する検出回路のブロック図である。イオン電流を検出するバイアス手段３、電流分配手段７及び燃焼パルスを生成するマスク９は、各気筒毎に独立に設けられている。
【００１１】
一方、ノック検出回路４（ＢＰＦ８、アンプ１１、window１０）は回路規模を小さくするために点火順序が隣り合わない気筒ペア、すなわち＃１と＃４、及び＃２と＃３で１つの処理回路を共有する。この機関の点火順序は＃１→＃３→＃４→＃２である。そして、最終的なノックパルス出力は、２つの処理回路の出力のオアをとったものとなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は４気筒分のコイルを駆動する点火信号（ＩＢ信号）および、イオン電流とその振動成分抽出波形を示している。図中に示している通り、点火信号のＯＮ時にはイオン電流にノイズが発生する。機関の回転数が高回転になったり、イオン電流発生期間が長くなるとノック検出区間内に点火信号ＯＮのノイズが前々気筒のノック検出区間に重なってしまい、ノイズによりノックパルスが発生するという問題があった。
【００１３】
前述のようにして検出されたノックパルスはＥＣＵ５に伝達される。ＥＣＵ５では、通常の運転条件下（ノックが発生していない時）のノックパルス数からバックグランドレベル（ノック判定レベル）が演算される。そして、このバックグランドレベルを越えるノックパルスが発生した時をノックと判断してノックの出ない方向にノック強度に応じて点火時期を変化させる。ノックが発生しなくなると点火時期は次第に所定の値に戻ろうとすることでノック制御が行われる。
【００１４】
ところが、燃料に添加剤（カリウム、ナトリウムなど）が混入すると、僅か数ｐｐｍでもイオン電流は数倍の大きさに増大する。イオン電流には元々ノックと同一周波数成分があり、イオン電流が増加するとこの周波数成分がノック発生時の振動成分と同等になってしまい、ノーノック状態にも拘わらず、パルス数が増加してノック／ノーノックのＳ／Ｎがなくなり、ノック制御ができなくなるという問題があった。図１９は図１６と同一の機関運転条件下で測定した添加剤混入時のＳ／Ｎである。
【００１５】
イオン電流の増減に関わる要素には、燃料性状の他に点火プラグの形状や機関の経時変化等があり、これらの場合にも同様の問題が起こる。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ノック検出のしきい値を変化させることにより、燃料やプラグの種類等が変わってイオン電流発生量が変化しても、ノック／ノーノックで良好なノックパルスＳ／Ｎを得ることができるノック検出装置を得ることを目的とする。
【００１７】
また、イオン電流から振動成分を抽出する手段を点火順序が隣り合わない気筒ペアで共有する際、点火信号ＯＮ時のノイズでノックパルスを出力してしまうことがないノック検出装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るノック検出装置においては、内燃機関で発生するノックを検出して点火時期を制御するノック検出装置であって、燃料の燃焼によって発生するイオン電流に重畳する振動成分を抽出し、ノック検出しきい値以上の成分についてパルス波形に波形整形し、パルス波形のパルス数を機関制御用手段によって、カウント、演算処理してノック強度を算出し、ノック強度に基づいて点火時期を制御するノック検出装置において、イオン電流の情報に基づいて、ノック検出しきい値を変化させるノック検出しきい値調整手段を備えている。
【００１９】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値に基づいてノック検出しきい値を変化させる。
【００２０】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値とイオン電流のピーク値とに基づいてノック検出しきい値を変化させる。
【００２１】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値、イオン電流のピーク値およびイオン電流を波形整形したデューティに基づいてノック検出しきい値を変化させる。
【００２２】
また、ノック検出しきい値調整手段は、燃焼サイクル毎のノック検出しきい値の変動を平滑化する。
【００２３】
さらに、イオン電流の振動成分を抽出する区間を、燃焼パルスの発生している区間とするマスク手段をさらに備えている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本実施の形態では燃料に添加剤が混入されてイオン電流が変化する場合について説明する。添加剤を混入していない燃料で最適なノック検出しきい値を設定した装置に、添加剤を混入した燃料を使用するとノック／ノーノック時のノックパルス数のＳ／Ｎが図１９となることは既に説明した通りである。
【００２５】
ところが、添加剤を混入した燃料に対して、ノック検出しきい値を調整すれば、図１の如く良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。すなわち、図１において、ノック検出しきい値が基準なもの（ｂ）から、ノック検出しきい値を基準の０．５倍にしたもの（ａ）においては、良好なＳ／Ｎ比は得られないが、ノック検出しきい値を基準の１．５倍にしたもの（ｃ）においては、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。
【００２６】
そのため、図２のブロック図に示すように、従来のノック検出しきい値設定部に替えて、ノック検出回路３０にイオン電流に含まれる情報を用いてノック検出しきい値を変化させるノック検出しきい値調整手段２１を設けることによりイオン電流の大きさに影響されずノックパルスを出力することができる。
【００２７】
本実施の形態のノック検出装置においては、イオン電流自身の情報からノック検出しきい値を調整するノック検出しきい値調整手段２１を設けることにより、ノックパルスの検出精度を向上することができる。
【００２８】
実施の形態２．
イオン電流を所定のしきい値で波形整形し、ノイズカットのために所定時間のマスクを施した燃焼パルスが開いている期間のイオン電流積分値を図３に示す。図３において、縦軸はイオン電流積分値10-4[V・ms]、横軸は回転数[rev/min]を表す。図３において、（ａ）は添加剤が混入されていない通常の燃料、（ｂ）は添加剤を混入した燃料で横軸は機関回転数、縦軸はイオン電流積分値である。（ａ）と（ｂ）の間でノック検出レベルを変化させれば良い。
【００２９】
図４はノック検出回路が有するしきい値調整回路、図５は各部の動作波形である。図４及び図５において、本実施の形態のノック検出しきい値調整手段としてのしきい値調整回路４１ではイオン電流積分値がＶａ（基準電圧）以上となると出力であるしきい値が増加を始め、Ｖｂ（クランプ電圧）以上となると所定値で飽和する構成としている。
【００３０】
そして、燃焼パルスが閉じると積分値はリセットされ、ノック検出しきい値は初期値に戻る。本実施の形態ではノック検出しきい値はアナログ的に変化しているが、デジタル的に変化しても良いことは言うまでもない。
【００３１】
本実施の形態のノック検出装置においては、イオン電流積分値を用いることにより、大幅な回路の変更をせずにしきい値を調整することができる。
【００３２】
実施の形態３．
実施の形態２ではイオン電流積分値は機関の回転数が高くなる程、添加剤有無の差が小さくなっているため、高回転領域ではノック検出しきい値が上昇し難い傾向がある。すなわち、実施の形態２の図５は回転数３０００[rev/min]の波形例であり、しきい値調整回路において、イオン電流積分値がＶｂ以上となり、ノック検出しきい値は飽和する。一方、図６は回転数５０００[rev/min]の波形例を示すが、ノック検出しきい値は、立ち上がりが遅く飽和することがない。
【００３３】
一方、イオン電流のピーク値は、図７に示すように高回転になる程大きくなる傾向がある。図７において、縦軸はイオン電流ピーク値[μA]、横軸は回転数[rev/min]を表す。そこで、イオン電流ピーク値が所定値以上になった場合に実施の形態２の積分電流を増加させる手段が働くようにすると図８のようにノック検出しきい値の立ち上がりが早くなるため、イオン電流積分値が小さい高回転の波形でも、ノック検出性を向上することができる。
【００３４】
本実施の形態のノック検出しきい値調整手段では図８に示すように、イオン電流積分値が０．８［Ｖ］以上になるとノック検出window（Knock Detection Window）が開く。そして、積分値が０．８［Ｖ］に達するまでは図示しない第１の積分電流制御回路（イオン電流の１／３の電流を充電）と図示しない第２の積分電流制御回路（イオン電流の１／２０の電流を充電）の両方で充電をしている。また、０．８［Ｖ］に達すると第１の積分電流制御回路が停止して第２の積分電流制御回路のみで充電を行う。ここでイオン電流のピーク値が判定レベルに達すると積分電流制御回路１を起動して充電電流を増加させている。尚、図８ではＶａ＝２．０［Ｖ］、Ｖｂ＝２．２［Ｖ］としている。
【００３５】
本実施の形態のノック検出装置においては、イオン電流積分値とピーク電流値とを用いてノック検出しきい値を変化させるので、高回転域のノック検出しきい値の調整を安定して行うことができる。
【００３６】
実施の形態４．
実施の形態３では低回転ではイオン電流積分値、高回転ではイオン電流ピーク値が支配的要因となってノック検出しきい値を変化させるが、中間回転域ではどちらのパラメーターでもうまく制御できずノック検出しきい値が立ち上がり難い状況が発生する場合がある。
【００３７】
そこで、本実施の形態のノック検出しきい値調整手段は、第３のパラメータとして燃焼パルスのデューティ（Duty）によって積分電流を制御する。燃焼パルスのデューティは添加剤が燃料に混入されると燃焼期間が長くなり、デューティが大きくなる。図９に示すように、この燃焼パルスのデューティに基づいてコンデンサに充放電を行い、この電圧が所定値を越えた場合には実施の形態３と同様にイオン電流積分電流を増加させることにより、中間回転数でのノック検出しきい値の立ち上がりも早くすることができる。
【００３８】
本実施の形態のノック検出装置においては、イオン電流積分値とピーク電流値に加え、燃焼パルスのデューティで積分電流を制御することにより、低回転から高回転域までノック検出しきい値の調整を安定して行うことができる。
【００３９】
実施の形態５．
ここまでの実施の形態においては、燃焼サイクル毎にノック検出しきい値をリセットしている。そのため、ノック検出しきい値が上昇するまでの時間（例えば、図５の※印の区間）はノイズパルスを出力してしまう（検出してしまう）という問題がある。そこで、図１０に示すように、各燃焼サイクル毎のノック検出しきい値を平滑化することで、ノック検出開始時から安定したノック検出しきい値を得、ノック検出性を向上するものが本実施の形態である。例えば、コンデンサに電荷をためることにより、ノック検出しきい値を平滑化する。
【００４０】
本実施の形態のノック検出装置においては、ノック検出しきい値を平滑化することにより、ノック検出しきい値が上昇するまでの時間に発生するノイズを減少させ、ノック検出性を向上することができる。
【００４１】
実施の形態６．
ここまでの実施の形態では図１８に示されるように、特に高回転の時に前々気筒の点火信号（ＩＢ信号）ＯＮ時のノイズをノックパルスとして出力してしまうという問題がある。これは、＃１及び＃４気筒のイオン電流が重複しないことを前提に、＃１及び＃４気筒のイオン電流の和を作り、この信号が共通のノック検出回路３０に入力されるからである。そのため、＃１気筒のノックを検出中に＃４気筒のノイズが混ざっても区別・分離することができず、混合したノイズを＃１気筒の振動成分として認識してしまうため、制御が良好に行われない場合がある。
【００４２】
本実施の形態は、この問題を解消するために、共通回路であるノック検出回路３０にイオン電流が入力される前に、点火信号（ＩＢ信号）ＯＮ時のノイズを除去するために、イオン電流の発生期間が所定時間以下の場合にはノック検出回路３０へイオン電流を送らず、所定時間以上かつ、所定電流値以上のイオン電流が発生した場合のみ、イオン電流をノック検出回路３０へ流すマスク手段（マスク９及びスイッチ１４）を設けた。
【００４３】
図１１は本発明のノック検出装置の他の例を示す要部のブロック図である。本実施の形態では、ノック検出回路３０へ向かうイオン電流の入力ラインを開閉するスイッチ１４を動かす信号としてマスク９から出力される燃焼パルスを使用している。なぜなら、この燃焼パルスを生成するマスク９は、燃焼・失火にかかわらずに発生する点火信号（ＩＢ信号）ＯＮ時のノイズによって燃焼パルスが発生してしまうのを防止するために設けられたものであり、この燃焼パルスを利用することで、新たにタイマー回路等を追加する必要がないという利点がある。
【００４４】
燃焼パルスを発生するマスク９の動作は図１５に示している通り、燃焼パルスしきい値以上の電流がマスク時間以上流れるまで燃焼パルスの発生を遅らせるものである。ノック検出回路３０は、燃焼パルスが開いた時点からノック検出window積分をスタートするが、燃焼パルスが開いている期間のみノック検出回路３０にイオン電流を伝達する。これにより、ノック検出回路３０を変更することなく改善をすることができ、図１２に示すようにノイズ成分をカットすることができる。そして、点火信号（ＩＢ信号）ＯＮ時のノイズによる影響を受けずに、良好なノック／ノーノックのノックパルスＳ／Ｎを得ることができる。
【００４５】
本実施の形態のノック検出装置においては、点火信号（ＩＢ信号）ＯＮ時のノイズが重畳したイオン電流をマスクすることによりノイズパルスを減少させ、ノック検出性を向上することができる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明に係るノック検出装置においては、内燃機関で発生するノックを検出して点火時期を制御するノック検出装置であって、燃料の燃焼によって発生するイオン電流に重畳する振動成分を抽出し、ノック検出しきい値以上の成分についてパルス波形に波形整形し、パルス波形のパルス数を機関制御用手段によって、カウント、演算処理してノック強度を算出し、ノック強度に基づいて点火時期を制御するノック検出装置において、イオン電流の情報に基づいて、ノック検出しきい値を変化させるノック検出しきい値調整手段を備えている。そのため、イオン電流自身の情報からノック検出しきい値を調整するので、ノックパルスの検出精度を向上することができる。
【００４７】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値に基づいてノック検出しきい値を変化させる。そのため、大幅な回路の変更をせずにしきい値を調整することができる。
【００４８】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値とイオン電流のピーク値とに基づいてノック検出しきい値を変化させる。そのため、高回転域のノック検出しきい値調整を安定して行うことができる。
【００４９】
また、ノック検出しきい値調整手段は、イオン電流の積分値、イオン電流のピーク値およびイオン電流を波形整形したデューティに基づいてノック検出しきい値を変化させる。そのため、低回転から高回転域までノック検出しきい値の調整を安定して行うことができる。
【００５０】
また、ノック検出しきい値調整手段は、燃焼サイクル毎のノック検出しきい値の変動を平滑化する。ノック検出しきい値を平滑化することにより、ノック検出しきい値が上昇するまでの時間に発生するノイズを減少させ、ノック検出性を向上することができる。
【００５１】
さらに、イオン電流の振動成分を抽出する区間を、燃焼パルスの発生している区間とするマスク手段をさらに備えている。そして、点火信号ＯＮ時のノイズが重畳したイオン電流をマスクすることにより、ノック振動成分を抽出するイオン電流の範囲をノックが重畳する部位に限定することができ、ノイズパルスを減少させ、ノック検出性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  添加剤を混入した燃料に対して、ノック検出しきい値を調整すれば、良好なＳ／Ｎ比を得ることができることを示した図である。
【図２】  本発明のノック検出装置の要部を示すブロック図である。
【図３】  イオン電流を所定のしきい値で波形整形し、ノイズカットのために所定時間のマスクを施した燃焼パルスが開いている期間のイオン電流積分値を示す図である。
【図４】  しきい値調整回路の回路図である。
【図５】  しきい値調整回路の各部の動作波形（回転数３０００[rev/min]）である。
【図６】  しきい値調整回路の各部の動作波形（回転数５０００[rev/min]）である。
【図７】  イオン電流のピーク値が、高回転になる程大きくなる様子を示す図である。
【図８】  実施の形態３において、ノック検出しきい値の立ち上がりが早くなることを示す図である。
【図９】  実施の形態４において、燃焼パルスのデューティに基づいてコンデンサに充放電を行い、電圧が所定値を越えた場合にイオン電流積分電流を増加させることにより、中間回転数でのノック検出しきい値の立ち上がりも早くすることができることを示す図である。
【図１０】  各燃焼サイクル毎のノック検出しきい値を平滑化することを示す図である。
【図１１】  本発明のノック検出装置の他の例を示す要部のブロック図である。
【図１２】  ノックの振動成分を抽出するイオン電流に燃焼パルスでマスクする手段を設けることでノイズ成分をカットすることを示す図である。
【図１３】  イオン電流を用いた従来のノック検出装置の回路図である。
【図１４】  図１３のノック検出回路を詳細に示すブロック図である。
【図１５】  図１４の回路の各部の動作波形例を示すものである。
【図１６】  ノック／ノーノック時のノックパルス数のＳ／Ｎグラフである。
【図１７】  ４気筒のイオン電流を処理する検出回路のブロック図である。
【図１８】  ４気筒分のコイルを駆動する点火信号（ＩＢ信号）および、イオン電流とその振動成分抽出波形を示す図である。
【図１９】  図１６と同一の機関運転条件下で測定した添加剤混入時のＳ／Ｎグラフである。
【符号の説明】
９  マスク（マスク手段）、１４  スイッチ（マスク手段）、２１  ノック検出しきい値調整手段、３０  ノック検出回路、４１  しきい値調整回路（ノック検出しきい値調整手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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