(57)【要約】【課題】異常燃焼の発生を精度良く検出できる火花点火式内燃機関を提供する。【解決手段】火花点火式内燃機関は、燃焼室の容積が変化する圧縮比可変機構と、気筒内の圧力振動を取得する筒内圧センサ６１と、圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含み、フィルタを通過した圧力信号に基づいて異常燃焼の発生を検出する異常燃焼検出手段とを備える。異常燃焼検出手段は、機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定するように形成されている。【選択図】図７
2014101764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、
気筒内の圧力振動を取得する筒内圧力取得手段と、
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含み、フィルタを通過した圧力信号に基づいて異常燃焼の発生を検出する異常燃焼検出手段とを備え、
異常燃焼検出手段は、機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定するように形成されており、機械圧縮比の変化に伴ってフィルタの周波数帯域を変化させる場合に、周波数帯域の周波数の幅を変化させることを特徴とする、火花点火式内燃機関。
【請求項２】
圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の高さを変更することにより機械圧縮比を変更可能に形成されており、
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号には、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号が含まれており、
異常燃焼検出手段は、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号を通過させるフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
機関回転数を検出する回転数検出器を備え、
異常燃焼検出手段は、機関回転数が高くなるほど、フィルタの周波数帯域を周波数が低くなる側に設定する、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
燃焼室における点火時期を検出する点火時期検出器を備え、
異常燃焼検出手段は、異常燃焼が発生するクランク角度の区間として点火時期以降の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項５】
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号に基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度を推定する推定手段と、
異常燃焼が発生するクランク角度および機械圧縮比を記憶する記憶手段とを備え、
異常燃焼検出手段は、記憶手段により記憶した機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度に基づいてフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室では、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で燃焼する。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更することができる内燃機関が知られている。
【０００３】
特開２００７−９２６１０号公報には、可変圧縮比機構と、シリンダブロックの側面に取り付けられたノックセンサと、ノックセンサの出力値に基づいて内燃機関の気筒においてノッキングが発生したことを検出するＥＣＵ（Electronic Control Unit）とを備える内燃機関が開示されている。この内燃機関では、ノッキングの発生が検出された場合に、圧縮比の変更動作中の少なくとも一部の期間には、点火時期を変化させる制御を禁止することが開示されている。また、ノックセンサの出力をＥＣＵに取り込む際には、出力信号のうち一部の周波数の成分を選択的に取り込んでもよいことが開示されている。
【０００４】
特開２００６−３０７７０７号公報には、気筒内における燃焼の圧力伝播の共振モードであるラジアルモードに対応する振動を検出し、検出された振動の波形と予め定められたノック波形とを比較することにより、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が開示されている。また、ラジアルモードの共振モードに対応した振動を検出するために、筒内圧センサが気筒の中央上部に設けられることが開示されている。
【０００５】
特開２００８−１５７０８７号公報においては、エンジンの筒内圧に応じた信号を出力する筒内圧検出手段と、筒内圧検出手段の出力信号から、ノッキング検出区間中の筒内圧成分を除去する除去手段と、筒内圧成分が除去された信号からノッキングの周波数を含む所定周波数帯の信号を抽出する抽出手段と、抽出した信号からノッキングの発生を判定する判定手段とを備えるノッキング検出装置が開示されている。
【０００６】
特開２００７−２３１９０３号公報においては、気筒内の圧力を検出するセンサからの検出信号を処理してノッキングの判定を行う内燃機関のノッキング判定装置が開示されている。このノッキング判定装置では、センサからの検出信号に基づいて１燃焼サイクル内でのノッキング強度を算出し、このノッキング強度とピストンの温度上昇の許容限界に関連する基準強度とを対比して、ノッキングの判定を行っている。
【０００７】
特開２００８−２５５１０号公報においては、ノック周波数の振動を検出するノッキング検出手段と、ノック周波数の振動が検出されたサイクルにおける筒内圧最大値を検出する筒内圧検出手段と、ノック周波数の振動が検出されたクランクアングルを検出するクランクアングル検出手段と、筒内圧最大値およびクランクアングルの組合せにより、ノッキング検出手段により検出された振動がノッキングに因るものであると判定するノッキング判定手段とを備える内燃機関の制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−９２６１０号公報
【特許文献２】特開２００６−３０７７０７号公報
【特許文献３】特開２００８−１５７０８７号公報
【特許文献４】特開２００７−２３１９０３号公報
【特許文献５】特開２００８−２５５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ノッキング等の異常燃焼は、所望の燃焼の伝播とは異なる燃焼が生じることにより発生する。異常燃焼が生じることにより気筒内の気体が振動し、所定の周波数を有する圧力波が生じる。この結果、シリンダブロックを含む機関本体が振動する。このように生じた機関本体の振動を機関本体に取り付けたノックセンサにより検出し、異常燃焼の発生を検出することができる。
【００１０】
特開２００７−９２６１０号公報に開示されている内燃機関では、シリンダブロックの側面にノックセンサが配置されている。気筒内における気体の圧力振動は、シリンダブロックを介して検出されている。検出されるシリンダブロックの振動は、機関本体の固有振動数に影響を受ける。このために、この公報には内燃機関の構造によって変化する機関本体の固有振動数に合わせて、選択的に取り込む信号の周波数を変化させることが記載されている。特に、圧縮比を変更する場合には圧縮比に応じて選択的に取り込む周波数を変更することが記載されている。
【００１１】
ところが、この公報には、圧縮比に応じて選択的に取り込む周波数をどのように定めるのかが具体的に開示されていない。また、一般的にノッキングが発生したときの振動の周波数を予測することは困難である。このために、一定の周波数の幅を有する周波数帯域にて振動を抽出することができる。ところが、圧縮比に応じて周波帯域の位置を変更するのみでは、検出される信号のノイズが大きくなったり正しくノッキングを検出できなかったりする虞があり、改善の余地があった。
【００１２】
本発明は、異常燃焼の発生を精度良く検出できる火花点火式内燃機関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】
【００１３】
本発明の火花点火式内燃機関は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、気筒内の圧力振動を取得する筒内圧力取得手段と、筒内圧力取得手段により取得した圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含み、フィルタを通過した圧力信号に基づいて異常燃焼の発生を検出する異常燃焼検出手段とを備える。異常燃焼検出手段は、機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定するように形成されている。異常燃焼検出手段は、機械圧縮比の変化に伴ってフィルタの周波数帯域を変化させる場合に、周波数帯域の周波数の幅を変化させる。
【００１４】
上記発明においては、圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の高さを変更することにより機械圧縮比を変更可能に形成されており、筒内圧力取得手段により取得した圧力信号には、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号が含まれており、異常燃焼検出手段は、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号を通過させるフィルタの周波数帯域を設定することができる。
【００１５】
上記発明においては、機関回転数を検出する回転数検出器を備え、異常燃焼検出手段は、機関回転数が高くなるほど、フィルタの周波数帯域を周波数が低くなる側に設定することができる。
【００１６】
上記発明においては、燃焼室における点火時期を検出する点火時期検出器を備え、異常燃焼検出手段は、異常燃焼が発生するクランク角度の区間として点火時期以降の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定することができる。
【００１７】
上記発明においては、筒内圧力取得手段により取得した圧力信号に基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度を推定する推定手段と、異常燃焼が発生するクランク角度および機械圧縮比を記憶する記憶手段とを備え、異常燃焼検出手段は、記憶手段により記憶した機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度に基づいてフィルタの周波数帯域を設定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、異常燃焼の発生を精度良く検出できる火花点火式内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態１における内燃機関の概略断面図である。
【図２】実施の形態１の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図３】実施の形態１の内燃機関において、機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびクランクケースの部分の概略断面図である。
【図４】実施の形態１の内燃機関において、クランク角度に対する燃焼室の高さの関係を示すグラフである。
【図５】気筒内の圧力振動の周波数と強度との関係を説明するグラフである。
【図６】実施の形態１における異常燃焼が発生する区間とバンドパスフィルタの周波数帯域とを説明するグラフである。
【図７】実施の形態１における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートである。
【図８】クランク角度と、検出される気筒内の圧力との関係を示すグラフである。
【図９】クランク角度と周波数解析装置の出力値との関係を説明するグラフを示す。
【図１０】実施の形態２における異常燃焼が発生する区間とバンドパスフィルタの周波数帯域とを説明するグラフである。
【図１１】実施の形態２における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートである。
【図１２】実施の形態３における低回転数の時の燃焼室の高さの変化を説明する概略図である。
【図１３】実施の形態３における高回転数の時の燃焼室の高さの変化を説明する概略図である。
【図１４】実施の形態３において、高圧縮比のときのバンドパスフィルタの周波数帯域を説明するグラフである。
【図１５】実施の形態３において、低圧縮比のときのバンドパスフィルタの周波数帯域を説明するグラフである。
【図１６】実施の形態３における機関回転数とバンドパスフィルタの周波数帯域の補正量との関係を説明するグラフである。
【図１７】実施の形態３における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートである。
【図１８】実施の形態４における圧力振動の周波数と振動の強度との関係を示すグラフである。
【図１９】実施の形態４における異常燃焼が発生するクランク角度を説明するグラフである。
【図２０】実施の形態４における異常燃焼が発生する区間とバンドパスフィルタの周波数帯域とを説明するグラフである。
【図２１】実施の形態４における異常燃焼が発生するクランク角度を学習する制御のフローチャートである。
【図２２】実施の形態４における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（実施の形態１）
図１から図９を参照して、実施の形態１における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている火花点火式の内燃機関を例に取り上げて説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。
【００２２】
シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
【００２３】
本実施の形態における内燃機関は、気筒内の圧力を検出するための筒内圧センサ６１を含む。筒内圧センサ６１は、気筒内の圧力振動を取得する筒内圧力取得手段として機能する。筒内圧センサ６１は、シリンダヘッド４に固定されている。筒内圧センサ６１は、ピストン３が移動する方向と交差する燃焼室５の頂面に配置されている。また、筒内圧センサ６１は、点火プラグ１０の近傍に配置されている。すなわち、燃焼室５の頂面の中央部分に配置されている。
【００２４】
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。
【００２５】
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、排気処理装置２１に連結されている。本実施の形態における排気処理装置２１は、三元触媒２０を含む。排気処理装置２１は、排気管２２に接続されている。
【００２６】
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含む。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
【００２７】
エアフローメータ１６の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に応じた出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。筒内圧センサ６１は、燃焼室５の圧力に応じた出力信号を発生する。筒内圧センサ６１の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力されている。
【００２８】
クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。機関排気通路において、排気処理装置２１の下流には、排気処理装置２１の温度を検出する温度検出器としての温度センサ４３が配置されている。温度センサ４３の出力信号は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２９】
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７および燃料ポンプ２９に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。吸気弁６は、吸気カム５１が回転することにより開閉するように形成されている。排気弁８は、排気カム５２が回転するようことにより開閉するように形成されている。
【００３０】
本実施の形態における内燃機関は、圧縮比可変機構を備える。本発明においては、ピストンの任意の位置におけるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。内燃機関の圧縮比は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積等に依存して定まる。本実施の形態における圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。
【００３１】
図２に、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の第１の概略断面図を示す。図２は、圧縮比可変機構により高圧縮比になったときの概略図である。図３に、本実施の形態における内燃機関の圧縮比可変機構の第２の概略断面図を示す。図３は、圧縮比可変機構により低圧縮比になったときの概略図である。図２および図３は、ピストン３が上死点に到達した状態を示している。
【００３２】
図１から図３を参照して、本実施の形態における内燃機関は、クランクケース７９を含む支持構造物と、支持構造物の上側に配置されているシリンダブロック２とが相対移動する。本実施の形態における支持構造物は、圧縮比可変機構を介してシリンダブロック２を支持している。また、本実施の形態における支持構造物は、クランクシャフトを１つの回転軸にて回転可能に支持している。ピストン３は、コネクティングロッド２３を介してクランクシャフトに支持されている。
【００３３】
シリンダブロック２の両側の側壁の下方には複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入孔が形成されており、カム挿入穴の内部には円形カム８６が回転可能に配置されている。クランクケース７９には、複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入孔が形成されており、カム挿入穴の内部には円形カム８８が回転可能に配置されている。シリンダブロック２の突出部８０は、クランクケース７９の突出部８２同士の間に嵌合する。
【００３４】
シリンダブロック２の突出部８０に挿入されている円形カム８６と、クランクケース７９の突出部８２に挿入されている円形カム８８とは、偏心軸８７を介して互いに連結されている。複数の円形カム８６と複数の円形カム８８とが、偏心軸８７を介して連結されることにより、カムシャフト８４，８５が構成されている。本実施の形態においては、一対のカムシャフト８４，８５が形成されている。本実施の形態における圧縮比可変機構は、一対のカムシャフト８４，８５を互いに反対方向に回転させる回転装置を含む。円形カム８８は、カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。円形カム８６は、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心している。また、偏心軸８７は、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心している。
【００３５】
図２を参照して、それぞれのカムシャフト８４，８５上に配置されている円形カム８８を、矢印９７に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上端に向けて移動する。シリンダブロック２を支持している円形カム８６は、カム挿入孔の内部において、矢印９６に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。シリンダブロック２は、矢印９８に示すように、クランクケース７９から離れる向きに移動する。
【００３６】
図３に示されるように偏心軸８７が円形カム８８の上端まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に移動する。図２および図３を参照して、クランクケース７９とシリンダブロック２との相対位置は、円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離によって定まる。円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離が大きくなるほど、シリンダブロック２はクランクケース７９から離れる向きに移動する。シリンダブロック２がクランクケース７９から離れる向きに移動するほど、燃焼室５の容積が大きくなる。
【００３７】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケース７９に対してシリンダブロック２が相対的に移動することにより、燃焼室５の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積とピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。機械圧縮比は、吸気弁の閉弁時期に依存せずに、（機械圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋ピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）にて示される。
【００３８】
本実施の形態における内燃機関は、クランクケース７９に対するシリンダブロック２の相対的な位置を検出する相対位置センサ８９を備える。相対位置センサ８９の出力により、ピストン３が上死点に位置しているときのシリンダブロック２に対するピストン３の相対位置を取得することができる。
【００３９】
図２に示す状態では、燃焼室５の容積が小さくなっており、吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。これに対して、図３に示す状態では、燃焼室５の容積が大きくなっており、吸入空気量が常時一定の場合には圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。このように、本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて、圧縮比可変機構により圧縮比を変更することができる。圧縮比可変機構は、電子制御ユニット３１に制御されている。本実施の形態において、カムシャフト８４，８５を回転させるモータは、対応する駆動回路３９を介して出力ポート３７に接続されている。
【００４０】
図２および図３を参照して、本実施の形態における内燃機関は、クランクケース７９とシリンダブロック２とが互いに接触して摺動する部分を有する。本実施の形態におけるクランクケース７９は、クランクケース７９の突出部８２およびシリンダブロック２の突出部８０を覆うように形成されている覆い部７２を含む。覆い部７２は、シリンダブロック２の一部を側方から覆うように形成されている。覆い部７２は、シリンダブロック２の側面を取り囲むように形成されている。覆い部７２は、シリンダブロック２の側面に接触している。
【００４１】
本実施の形態における内燃機関では、圧縮比が変化するとクランクケース７９の覆い部７２とシリンダブロック２とが摺動する。クランクケース７９とシリンダブロック２との間を密閉するために、シール部材としてブーツシール７３が配置されている。ブーツシール７３は、両側の端部が覆い部７２の端部とシリンダブロック２の側面とに固定されている。クランクケース７９を含む支持構造物とシリンダブロック２との間にブーツシール７３を配置することにより、クランクケース７９の内部の気体が内燃機関の外部に流出することを抑制できる。
【００４２】
本実施の形態におけるブーツシール７３は、シリンダブロック２の側面を取り囲むように環状に形成されている。ブーツシール７３は、機械圧縮比の変更に伴って変形する。ブーツシール７３は、機械圧縮比の変化に伴って変形可能な材質にて形成されている。たとえば、ブーツシール７３は、ゴムまたは樹脂にて形成されている。シール部材としては、この形態に限られず、封止機能を有する任意の部材を採用することができる。
【００４３】
次に、本実施の形態の内燃機関において、異常燃焼の発生を検出する制御について説明する。異常燃焼は、例えば、点火栓の点火部から順に火炎が広がる燃焼が生じているときに、所望の燃焼の伝播とは異なる燃焼が生じることにより発生する。このような異常燃焼には、ノッキング現象が含まれる。本実施の形態においては、燃焼室５における圧力振動を取得し、取得した圧力振動から燃焼室の高さに依存する圧力振動を抽出することにより異常燃焼が発生しているか否かを判別する。
【００４４】
図２および図３を参照して、圧縮比可変機構は、燃焼室５の容積が可変に形成されている。また、クランクケース７９に対してシリンダブロック２の相対的な位置が変化するために燃焼室５の高さが変化する。本発明では、ピストン３が移動する方向の燃焼室の長さを燃焼室５の高さと称する。図２および図３に示す例では、燃焼室５の頂面が傾斜しており、ピストン３の冠面と燃焼室５の頂面との距離が最も大きくなる部分を燃焼室５の高さＨと称する。
【００４５】
図４に、機械圧縮比を変化させたときのクランク角度に対する燃焼室の高さＨの関係を示す。横軸のクランク角度は、ピストンが圧縮上死点に到達した位置を０°にしている。図４には、機械圧縮比を変化させたときの複数のグラフが記載されている。機械圧縮比ε１が最も大きく機械圧縮比ε５が最も小さくなっている（ε１＞ε２＞ε３＞ε４＞ε５）。機械圧縮比の範囲としては、たとえば８以上２１未満を例示することができる。それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５において、クランク角度ＣＡが大きくなるほど、燃焼室５の高さＨが大きくなる。また、それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５を比較したときに、機械圧縮比が大きくなるほど、燃焼室５の高さＨは小さくなる。
【００４６】
本実施の形態の内燃機関では、機械圧縮比を変更すると、燃焼室５の直径は変化せずに燃焼室５の高さＨが変化する。ところで、ピストン３の所定の位置において異常燃焼が発生すると圧力波が生じる。圧力波は、例えば音速で伝播されて燃焼室５内に広がる。このときに、燃焼室５の内部において、燃焼室５の形状に依存した気体の圧力振動が生じている。
【００４７】
図５に、異常燃焼が発生したときの燃焼室５の内部における圧力振動の周波数と振動の強度との関係を概略的に説明するグラフを示す。横軸は振動の周波数であり、縦軸は振動の強度である。発明者らは、異常燃焼が発生したときに筒内圧センサ６１により検出される振動には、低周波側の圧力振動ＶＬと高周波側の圧力振動ＶＨが含まれることを見出した。低周波側の圧力振動ＶＬの周波数は、たとえば３ｋＨｚ以上１５ｋＨｚ以下であり、高周波側の圧力振動ＶＨの周波数は、たとえば１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下である。
【００４８】
更に、発明者らは、高周波側の圧力振動ＶＨの周波数は、燃焼室５の高さＨに依存することを見出した。高周波側の圧力振動ＶＨは、燃焼室５の高さ方向に共鳴する振動であると推定される。これに対して低周波側の圧力振動ＶＬは、燃焼室５の径方向に共鳴する振動であると推定される。なお、図５には、低周波側の圧力振動ＶＬとして径方向の１次の共鳴の振動および２次の共鳴の振動を記載しているが、さらに高次の振動も生じ得る。また、図５に示す例では、高周波側の圧力振動ＶＨの強度は、低周波側の圧力振動ＶＬの強度よりも小さいことが分る。
【００４９】
ここで、発明者らは、高周波側の圧力振動ＶＨを用いることにより、高い精度で異常燃焼の発生の検出を行なうことができることを見出した。本発明では、低周波側の圧力振動ＶＬを排除し、高周波側の圧力振動ＶＨを選択的に抽出して、異常燃焼の発生を検出する。図５においては、たとえば１０ｋＨｚ以上の領域Ａにおける圧力振動を用いて異常燃焼の検出を行なう。
【００５０】
図６に、クランク角度に対する燃焼室５における共鳴周波数を説明するグラフを示す。縦軸は、燃焼室５の高さ方向に振動の節が並ぶ圧力波の共鳴周波数である。すなわち、燃焼室５の高さ方向の振動の共鳴周波数である。それぞれの機械圧縮比ε１〜ε５において、クランク角度ＣＡが大きくなるほど燃焼室５の高さＨが大きくなるために、燃焼室５における共鳴周波数は小さくなる。また、複数の機械圧縮比ε１〜ε５において、機械圧縮比が大きくなるほど、共鳴周波数が大きくなる。
【００５１】
ここで、燃焼室５の内部の気体の圧力振動の周波数は、機関本体１が有する固有振動数には直接的に関係せずに、圧力波が発生したときの燃焼室５の形状等に依存する。また、異常燃焼が発生したときの圧力振動には、燃焼室５の高さ方向に共鳴する高周波側の圧力振動ＶＨが含まれる。本発明では、この高周波側の圧力振動ＶＨを、特定圧力振動と称する。特定圧力振動は、燃焼室の高さ方向に生じる振動と考えられ、前述の通り高い周波数を有する。本実施の形態においては、筒内圧センサ６１により取得される圧力振動から特定圧力振動が生じる周波数帯域の振動を抽出する。
【００５２】
機械圧縮比が変化すると異常燃焼により生じる特定圧力振動の周波数が変化する。本実施の形態における内燃機関は、筒内圧センサ６１により取得した圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含む異常燃焼検出手段を備える。異常燃焼検出手段は、フィルタを通過した信号の結果に基づいて異常燃焼の発生を検出する。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１が異常燃焼検出手段として機能する。
【００５３】
フィルタとしてはバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を用いることができる。バンドパスフィルタにより、設定された周波数帯域の振動を抽出することができる。本実施の形態のバンドパスフィルタは、圧力信号を通過させる周波数帯域を変更できるように形成されている。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１がバンドパスフィルタとして機能し、圧力信号を電気的に処理する。
【００５４】
異常燃焼が発生するクランク角度を燃焼サイクル毎に特定することは困難である。本実施の形態における内燃機関では、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを設定している。本実施の形態においては、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡは、予め定められている。ここでの実施例では、クランク角度が０°以上３０°以下の区間を設定している。
【００５５】
図６に示す例において、機械圧縮比が高い機械圧縮比ε１においては、異常燃焼による特定圧力振動の周波数は、周波数帯域ＦＢ１に含まれる。また、機械圧縮比の低い機械圧縮比ε５においては、異常燃焼による特定圧力振動の周波数は、周波数帯域ＦＢ５に含まれる。それぞれの機械圧縮比の値に対して、異常燃焼による特定圧力振動の周波数帯域が異なることが分る。
【００５６】
周波数帯域ＦＢ１と周波数帯域ＦＢ５とを比較すると、高機械圧縮比のときの周波数帯域ＦＢ１は、低機械圧縮比のときの周波数帯域ＦＢ５よりも周波数が高い側に配置されることが分かる。周波数帯域ＦＢ１の最大周波数は、周波数帯域ＦＢ５の最大周波数よりも高く、周波数帯域ＦＢ１の最小周波数は、周波数帯域ＦＢ５の最小周波数よりも高い。また、周波数帯域の周波数の幅を比較すると、高機械圧縮比の周波数帯域ＦＢ１の周波数の幅の方が、低機械圧縮比の周波数帯域ＦＢ５の周波数の幅よりも大きくなることが分かる。
【００５７】
本実施の形態の内燃機関では、機械圧縮比の変化に伴ってフィルタの周波数帯域を設定するように形成されている。たとえば、機械圧縮比ε１の場合には、フィルタを周波数帯域ＦＢ１に設定し、機械圧縮比ε５の場合には、フィルタを周波数帯域ＦＢ５に設定する。その他の機械圧縮比ε２〜ε４についても同様に、異常燃焼が発生する区間ＳＣＡに基づいたフィルタの周波数帯域を設定することができる。ここで、フィルタの周波数帯域は、周波数の低い側または周波数の高い側に平行移動させるのみではなくて、周波数帯域の周波数の幅を変化させている。この後に、フィルタを通過した圧力信号の振動の大きさを検出し、振動の大きさと判定値とを比較することにより異常燃焼の発生を判別する。
【００５８】
図７に、本実施の形態における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートを示す。図７に示す制御は、たとえば、予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。
【００５９】
ステップ１０１においては、現在の機械圧縮比を取得する。図２および図３を参照して、相対位置センサ８９の出力によりピストン３が上死点に到達しているときの燃焼室５の高さＨを演算することができる。この燃焼室５の高さＨを用いて、機械圧縮比を演算することができる。機械圧縮比の取得は、この形態に限られず、任意の装置により取得することができる。たとえば、圧縮比可変機構を駆動するモータの制御信号に基づいて機械圧縮比を検出しても構わない。
【００６０】
図７を参照して、次に、ステップ１０２においては、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。本実施の形態においては、前述の通り機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいてフィルタの周波数帯域を設定する。図６を参照して、本実施の形態においては、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡは一定値が採用されている。このために、たとえば機械圧縮比ε１の場合には、フィルタの周波数帯域を周波数帯域ＦＢ１に設定することができる。このようなフィルタの周波数帯域は、機械圧縮比を関数にした値を予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【００６１】
図７を参照して、ステップ１０３においては、筒内圧力を取得する。本実施の形態においては、筒内圧センサ６１により燃焼室５の圧力を検出する。筒内圧力の取得は、例えば、予め定められた時間間隔ごとに行うことができる。
【００６２】
図８に、筒内圧センサ６１にて取得した気筒内の圧力のグラフを示す。図８に示す例では、クランク角度が２０°以上３０°以下の領域において、気筒内の圧力に振動が生じていることが分る。すなわち、このクランク角度の区間において異常燃焼が発生している。図７を参照して、ステップ１０３においては、少なくとも異常燃焼が発生する区間を含むように圧力信号を取得することができる。本実施の形態においては、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡが予め定められているために、この区間ＳＣＡを含む区間にて気筒内の圧力を取得することができる。
【００６３】
気筒内の圧力を取得する筒内圧力取得手段については、上記の筒内圧センサに限られず、燃焼室の高さに依存する特定圧力振動の圧力波を取得可能な任意の手段を採用することができる。
【００６４】
次に、ステップ１０４においては周波数解析を行う。本実施の形態における内燃機関は、バンドパスフィルタを含む周波数解析装置を備える。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１が周波数解析装置として機能する。筒内圧センサ６１により取得される圧力信号には、様々な周波数の振動が含まれている。周波数解析装置は、様々な周波数の圧力信号のうち、バンドパスフィルタに設定された周波数帯域に含まれる圧力信号を抽出する。
【００６５】
図６を参照して、例えば、機械圧縮比ε１の場合には、バンドパスフィルタは周波数帯域ＦＢ１に設定されている。この場合に、周波数帯域ＦＢ１の範囲内の周波数の圧力信号はバンドパスフィルタを通って抽出される。一方で、周波数帯域ＦＢ１の範囲外の周波数の圧力信号はバンドパスフィルタにより除去または減衰される。このように、異常燃焼の発生の判別に用いる特定圧力振動の信号を抽出し、異常燃焼の発生の判別に不要な周波数の信号を排除することができる。
【００６６】
図９に、周波数解析装置の出力値のグラフを示す。縦軸の周波数解析装置の出力値は、たとえば筒内圧力の圧力振動の振幅に対応する。周波数解析装置の出力値がゼロでは、気筒内に圧力振動が生じていないと判別することができる。また、周波数解析装置の出力値が大きくなると、気筒内の圧力振動が大きくなっていると判別することができる。本実施の形態においては、周波数解析装置の出力値に対する判定値が予め定められている。
【００６７】
図７を参照して、ステップ１０５においては、周波数解析装置の出力値が予め定められた判定値を超えているか否かを判別する。ステップ１０５において、周波数解析装置の出力値が予め定められた判定値を超えている場合には、ステップ１０６に移行する。ステップ１０６においては、異常燃焼が発生していると判別することができる。一方で、ステップ１０５において、周波数解析装置の出力値が予め定められた判定値以下である場合には、ステップ１０７に移行する。ステップ１０７では、異常燃焼が発生していないと判別することができる。
【００６８】
異常燃焼の発生を判別する判定値は、複数個を設定しても構わない。たとえば、小さなノッキング現象の発生を判別する第１の判定値、中程度の大きさのノッキング現象の発生を判別する第２の判定値、および大きなノッキング現象の発生を判別する第３の判定値等を設けて判別を行なっても構わない。または、周波数解析装置の出力値の正側に判定値を設定するのではなく、負側に判定値を設けても構わない。この場合には、周波数解析装置の出力値が負側の判定値未満になったときに、異常燃焼が発生していると判別することができる。
【００６９】
このように、本実施の形態の内燃機関においては、機械圧縮比に応じてバンドパスフィルタの周波数帯域を変更する。機械圧縮比が高くなるほど、バンドパスフィルタの信号を通過させる周波数帯域を高周波側に設定している。更に、機械圧縮比に応じてバンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅を変更している。機械圧縮比が高くなるほど周波数の幅を大きくしている。この構成により、異常燃焼に起因する圧力振動を精度良く検出することができる。
【００７０】
例えば、ノッキング現象が発生するクランク角度の区間が同じであっても、機械圧縮比が高くなるほど、異常燃焼が発生する周波数帯域の周波数の幅が大きくなる。１つの周波数帯域を用いて全ての機械圧縮比における圧力振動を検出する場合に、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅を小さくすると、異常燃焼に起因する圧力振動の一部が検出できなくなる場合がある。このために、１つの周波数帯域を用いて全ての機械圧縮比における圧力振動を検出する場合には、バンドパスフィルタの周波数帯域を大きくしなければならなくなる。
【００７１】
例えば、図６において、バンドパスフィルタに１つの周波数帯域を設定する場合には、周波数帯域ＦＢ１と周波数帯域ＦＢ５の両方を含む周波数帯域を設定する必要がある。このため、本来必要な帯域よりも大きな帯域にて圧力振動を抽出し、ノイズも多く抽出してしまう。この結果、異常燃焼の発生の判別の精度が低下してしまう。これに対して、本実施の形態においては、機械圧縮比に応じてバンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅を変更するために多くのノイズを排除することができる。圧力信号を処理するときのノイズに対する耐性を向上することができる。この結果、異常燃焼の発生の判別の精度が向上する。
【００７２】
本実施の形態の内燃機関においては、燃焼室５の圧力を直接的に検出している。特に、燃焼室５の頂面の中央部に筒内圧センサ６１を配置している。異常燃焼に起因する圧力振動は、シリンダブロック２やシリンダヘッド４を含む機関本体１に伝播される。シリンダブロック２の側面に振動を検出するセンサが配置されている場合には、燃焼室５の圧力振動が機関本体１を介して検出される。このときに検出される振動は機関本体１の固有振動数に影響を受ける。これに対して、本実施の形態においては、気筒内の圧力を取得しているために、機関本体１の固有振動数の影響を抑制することができて、より正確に燃焼室５の圧力振動を取得することができる。
【００７３】
更に、図１を参照して、本実施の形態におけるクランクケース７９は、シリンダブロック２に摺動する覆い部７２およびブーツシール７３を含む。このために、シリンダブロック２の側面にシリンダブロック２の振動を検出するセンサを配置することが困難であったり、または、センサを配置する位置が限定されたりする。これに対して、本実施の形態における内燃機関では、筒内圧センサ６１をシリンダヘッド４の上方から挿入するために、容易にセンサを取り付けることができる。
【００７４】
本実施の形態においては、設定された周波数帯域を通過させるフィルタとしてバンドパスフィルタを用いているが、この形態に限られず、筒内圧センサの圧力信号のうち所定の周波数帯域の圧力信号を抽出できる任意のフィルタを採用することができる。また、フィルタとしては、電子制御ユニット３１と筒内圧センサ６１との間に、設定された周波数帯域の圧力信号を抽出する装置を配置しても構わない。
【００７５】
上記の実施の形態においては、吸気弁の閉弁時期が一定である内燃機関を例示しているが、この形態に限られず、吸気弁の閉弁時期を変化させる可変動弁機構を備える内燃機関にも本発明を適用することができる。この内燃機関においては、機械圧縮比の他に燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比が設定される。実圧縮比は、吸気弁の閉弁時期に依存する。実圧縮比は例えば、（実圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋吸気弁が閉じている期間にピストンが移動する容積）／（燃焼室の容積）にて設定される。このような可変動弁機構を備える内燃機関についても、機械圧縮比に基づいてフィルタの周波数帯域を変更することができる。
【００７６】
本実施の形態における圧縮比可変機構は、クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動することにより機械圧縮比を変更しているが、この形態に限られず、燃焼室の高さを変更可能な任意の機構を採用することができる。
【００７７】
（実施の形態２）
図１０および図１１を参照して、実施の形態２における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、内燃機関の運転状態として点火時期を検出する点火時期検出器を備え、異常燃焼検出手段は、点火時期に基づいてフィルタの周波数帯域を設定する。本実施の形態における内燃機関では、点火時期に応じて異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを変更する。
【００７８】
図１０に、本実施の形態の複数の機械圧縮比において、クランク角度に対する燃焼室の高さ方向の振動の共鳴周波数のグラフを示す。ノッキング現象等の異常燃焼は、燃焼室５において火炎が伝播している期間中に発生する。すなわち、ノッキング現象等の異常燃焼は、燃焼室５において点火した後に生じる。このために、本実施の形態における異常燃焼検出手段は、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを、点火時期以降に設定する制御を行う。
【００７９】
図１０に示す例では、クランク角度ＣＡ１において点火している。この例の場合に、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡとしては、クランク角度ＣＡ１から予め定められた角度までの区間を設定することができる。バンドパスフィルタの周波数帯域は、実施の形態１と同様に、区間ＳＣＡに基づいて設定することができる。たとえば、高機械圧縮比ε１の場合には、周波数帯域ＦＢ１を設定することができる。低機械圧縮比ε５の場合には、周波数帯域ＦＢ５を設定することができる。
【００８０】
図１０を実施の形態１における図６と比較すると、本実施の形態の異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡは、実施の形態１におけるクランク角度の区間ＳＣＡよりも小さくなる。バンドパスフィルタの周波数帯域ＦＢ１，ＦＢ５も実施の形態１よりも小さくなっていることが分かる。このために、圧力信号に含まれるノイズを低減することができる。この結果、異常燃焼の発生の検出精度を向上させることができる。
【００８１】
特に、機械圧縮比が高い場合には、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅も大きくなる。このために、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを点火時期以降に限定することによりバンドパスフィルタの周波数帯域を大幅に狭くすることができて、効果的にノイズを低減することができる。
【００８２】
図１１に、本実施の形態における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートを示す。ステップ１１１においては、点火時期を取得する。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１が点火時期検出器として機能する。電子制御ユニット３１は、設定された点火時期を読み込む。ステップ１０１においては、機械圧縮比を取得する。
【００８３】
次に、ステップ１０２においては、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。図１０に示したように、点火時期以降の区間に基づいたバンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。点火時期が可変の場合には、点火時期および機械圧縮比に基づいてバンドパスフィルタの周波数帯域を設定することができる。たとえば、点火時期および機械圧縮比を関数にするバンドパスフィルタの周波数帯域のマップを予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【００８４】
この後のステップ１０３からステップ１０７は、実施の形態１における内燃機関の制御と同様である（図７参照）。ステップ１０４においては、ステップ１０２において設定された周波数帯域にて圧力振動の信号の抽出を行うことができる。
【００８５】
本実施の形態における内燃機関の制御では、点火時期前のクランク角度の区間に対応する周波数帯域の振動を排除することができて、ノイズを低減することができる。
【００８６】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００８７】
（実施の形態３）
図１２から図１７を参照して、実施の形態３における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、内燃機関の運転状態として機関回転数を検出する回転数検出器を備え、異常燃焼検出手段は、機関回転数に基づいてフィルタの周波数帯域を設定する。
【００８８】
図１２に、機関回転数が低い時のピストン３の移動を説明する概略図を示す。図１３に、機関回転数が高い時のピストン３の移動を説明する概略図を示す。図１２を参照して、ピストン３は、矢印９２に示す方向に下降している。時刻ｔ０の時には、燃焼室５は、高さＨ０になっている。所定の時間の経過後の時刻ｔ１においては、ピストン３の位置が下がり、燃焼室５は高さＨ１になっている。図１３においても同様に、時刻ｔ０および時刻ｔ１のときの燃焼室の高さＨ０，Ｈ１が示されている。
【００８９】
図１２および図１３を参照して、機関回転数が高回転数のときには低回転数のときよりも、ピストン３の下降する速度が大きくなる。このために、時刻ｔ０におけるピストン３の位置が同じであっても、所定の時間の経過後の時刻ｔ１においては、高回転数の場合の方が低回転数の場合よりもピストン３の移動量が大きくなる。時刻ｔ１においては、高回転数の場合の方が低回転数の場合よりも燃焼室の高さＨ１が大きくなっている。
【００９０】
実施の形態１の図６にて示したクランク角度に対する共鳴周波数は、燃焼室５の高さＨが一定の場合を記載している。すなわち、燃焼室５においてノッキング現象が発生した時刻から、燃焼室５の高さＨが変化していないと近似した場合の共鳴周波数を示している。しかしながら、実際の内燃機関においては、異常燃焼による圧力振動が発生している期間中にもピストン３は移動する。燃焼室５の高さＨが変化するために、異常燃焼による特定圧力振動の周波数も変化する。そこで、本実施の形態においては、機関回転数を検出し、機関回転数に応じて、フィルタの周波数帯域を変更する。
【００９１】
図１２および図１３に示すように、機関回転数が高くなるほど、大きな速度でピストン３が下降し、燃焼室５の高さＨ１が大きくなる。このために、異常燃焼の特定圧力振動の周波数は、機関回転数が高くなるほど低くなる。本実施の形態においては、機関回転数を取得し、取得した機関回転数が高くなるほど、フィルタの周波数帯域を周波数が低くなる側に補正する。
【００９２】
図１４に、機械圧縮比が高い場合のクランク角度に対する共鳴周波数のグラフを示す。内燃機関が機械圧縮比ε１であり、異常燃焼が発生している期間の燃焼室５の高さＨの変化を考慮しない場合には、前述のとおり、バンドパスフィルタを周波数帯域ＦＢ１に設定することができる。しかしながら、本実施の形態においては、異常燃焼が発生している期間中にピストン３が下降することを考慮して、周波数帯域ＦＢ１を補正する。
【００９３】
機関回転数が低い場合には、矢印９２に示すように、周波数帯域ＦＢ１を周波数帯域ＦＢ１Ａに補正する。さらに、機関回転数が高い場合には、矢印９３に示すように、周波数帯域ＦＢ１を周波数帯域ＦＢ１Ｂに補正する。このように、機関回転数が高いほど周波数帯域ＦＢ１を低周波側に設定する。この制御を行なうことにより、異常燃焼による圧力振動に含まれる特定圧力振動の周波数に対して、バンドパスフィルタの周波数帯域をより正確に対応させることができる。この結果、異常燃焼の検出精度が向上する。
【００９４】
本実施の形態においては、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡの幅がほぼ一定になるように、フィルタの周波数帯域ＦＢ１を補正している。このために、高回転数の周波数帯域ＦＢ１Ｂの周波数の幅は、低回転数の周波数帯域ＦＢ１Ａの周波数の幅よりも小さくなっている。すなわち、機関回転数が高くなるほど、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅が小さくなっている。
【００９５】
図１５に、機械圧縮比が低い場合のクランク角度に対する共鳴周波数のグラフを示す。低い機械圧縮比ε５の場合にも、異常燃焼が発生している期間におけるピストンの移動を考慮しない場合には、バンドパスフィルタを周波数帯域ＦＢ５に設定することができる。機械圧縮比が低い場合も同様に、機関回転数が低いときには、矢印９２に示すように周波数帯域ＦＢ５を補正して、周波数帯域ＦＢ５Ａを設定することができる。機関回転数が高い場合には、矢印９３に示すように周波数帯域ＦＢ５補正して、周波数帯域ＦＢ５Ｂを設定することができる。また、補正の時に異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡの幅がほぼ一定になるように、バンドパスフィルタの周波数帯域ＦＢ５を補正することができる。
【００９６】
本実施の形態においては、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅は、補正前よりも補正後の方が小さくなっているが、この形態に限られず、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅を補正前と補正後とで同一にしても構わない。すなわち、矢印９２または矢印９３に示すように補正するときに、周波数帯域の周波数の幅は一定に維持しても構わない。
【００９７】
図１４および図１５を参照して、矢印９２および矢印９３は、バンドパスフィルタの周波数帯域を移動させる補正量を示す。これらの補正量は、高機械圧縮比ε１よりも低機械圧縮比ε５の方が小さいことが分かる。機械圧縮比が大きくなるほど共鳴周波数の勾配が大きくなるために、機械圧縮比が大きくなるほど周波数帯域の補正量も大きくなることが分かる。これらの補正量は、例えば、複数の機械圧縮比ごとに予め定めておくことができる。
【００９８】
図１６は、一つの機械圧縮比において機関回転数に対する周波数帯域の補正量のグラフである。縦軸の周波数帯域の補正量は、周波数を下げる側に移動させる量を示している。たとえば、複数の機械圧縮比ごとに、機関回転数を関数にする周波数帯域を移動させる補正量を設定することができる。更に、機関回転数を関数にする周波数帯域の周波数の幅の補正量を設定することができる。または、周波数帯域の上限の周波数および下限の周波数に対してそれぞれの値を移動させる補正量を設定することができる。
【００９９】
本実施の形態におけるバンドパスフィルタの周波数帯域の補正量や、周波数帯域の周波数の幅の補正量等は、予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。電子制御ユニット３１は、機械圧縮比および機関回転数に基づいて、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定することができる。
【０１００】
図１７に、本実施の形態の内燃機関の制御のフローチャートを示す。ステップ１０１およびステップ１０２は、実施の形態１における制御と同様である（図７参照）。ステップ１０２においては、機関回転数を考慮しない場合、すなわち燃焼室５の高さＨの変化を考慮しない場合のバンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。
【０１０１】
ステップ１１２においては、機関回転数を取得する。図１を参照して、本実施の形態においては、クランク角センサ４２が回転数検出器として機能する。機関回転数は、クランク角度センサ４２の出力により検出することができる。
【０１０２】
次に、ステップ１１３においては、バンドパスフィルタの周波数帯域の補正を行なう。機関回転数に基づいてバンドパスフィルタの周波数帯域の補正量を設定し、設定した補正量に基づいてバンドパスフィルタの周波数帯域を補正することができる。ステップ１０３からステップ１０７は、実施の形態１における制御と同様である（図７参照）。特に、ステップ１０４においては、補正後の周波数帯域のバンドパスフィルタにより、取得した圧力信号から特定圧力振動の信号を抽出する。
【０１０３】
本実施の形態の内燃機関においても、異常燃焼に起因する圧力振動のうち特定圧力振動の周波数に対してフィルタの周波数帯域を正確に対応させることができる。この結果、ノイズを低減できて、異常燃焼の検出精度を向上させることができる。
【０１０４】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１０５】
（実施の形態４）
図１８から図２２を参照して、実施の形態４における内燃機関について説明する。本実施の形態の内燃機関は、筒内圧センサ６１により取得した圧力信号に基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度を推定する推定手段を備える。推定手段は、異常燃焼が発生したときの特定圧力振動の周波数を推定し、特定圧力振動の周波数に基づいて異常燃焼が発生するクランク角度を推定する。異常燃焼検出手段は、推定した異常燃焼が発生するクランク角度に基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度の区間およびフィルタの周波数帯を設定する。
【０１０６】
図１８に、筒内圧センサ６１により検出された圧力振動の周波数に対する振動の強度を示すグラフを示す。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１が推定手段として機能する。縦軸の強度は、振動の振幅に対応する。このようなグラフは、検出される圧力振動の信号を周波数分析することにより算出することができる。たとえば、筒内圧センサ６１により検出した燃焼室５の圧力に対してフーリエ変換等の変換を行うことにより、周波数に対する圧力振動の強度を算出することができる。この例では、周波数ＦＭにおいて、圧力振動の強度が最大になっている。本実施の形態においては、周波数ＦＭの特定圧力振動が発現していると推定する。
【０１０７】
図１９に、クランク角度に対する共鳴周波数のグラフを示す。例えば機械圧縮比が機械圧縮比ε１の場合には、周波数ＦＭに対応する第１のクランク角度ＣＡＦＭを検出することができる。第１のクランク角度ＣＡＦＭにおいて、最も強度の大きな圧力振動が生じていることが分かる。すなわち、第１のクランク角度ＣＡＦＭにおいて、異常燃焼が発生していると推定することができる。
【０１０８】
本実施の形態の内燃機関は、異常燃焼が発生するクランク角度および機械圧縮比を記憶する記憶手段を備える。本実施の形態では、電子制御ユニット３１が記憶手段として機能する。たとえば、電子制御ユニット３１は、機械圧縮比ε１と異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを記憶する。この制御を複数回繰り返すことにより、複数個の機械圧縮比と第１のクランク角度ＣＡＦＭが記憶される。
【０１０９】
次に、電子制御ユニット３１は、機械圧縮比ごとに異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを読み込む。記憶された複数個の第１のクランク角度ＣＡＦＭに基づいて、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定する時に用いる異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭを算出している。第２のクランク角度ＣＡＦＭＭは、たとえば算出した複数の第１のクランク角度ＣＡＦＭのうち、最も頻度が高いクランク角度を選定することができる。
【０１１０】
このように、内燃機関の推定手段は、異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭを推定する。次に、異常燃焼検出手段は、推定した第２のクランク角度ＣＡＦＭＭに基づいて異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを設定する。
【０１１１】
図２０に、クランク角度に対する共鳴周波数のグラフを示す。前述の制御により異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭが推定されている。本実施の形態においては、第２のクランク角度ＣＡＦＭＭに対して、予め定められたクランク角度の幅ΔＷを加算および減算することにより、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを設定している。図２０には、機械圧縮比ε１の場合が例示されている。クランク角度の幅ΔＷとしては、適合などにより任意の値を採用することができる。
【０１１２】
次に異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡおよび取得した機械圧縮比ε１に基づいて、バンドパスフィルタの周波数帯域ＦＢ１を定めることができる。この後に、バンドパスフィルタの周波数帯域ＦＢ１を用いて特定圧力振動の圧力信号を抽出し、異常燃焼の判定を行なうことができる。
【０１１３】
図２１に、異常燃焼が発生するクランク角度を推定する制御のフローチャートを示す。図２１に示す制御は、例えば予め定められた時間間隔ごとに繰り返して行うことができる。ステップ１０１およびステップ１０２は、実施の形態１における制御と同様である（図７参照）。
【０１１４】
次に、ステップ１１４においては周波数分析を行なう。本実施の形態においては、図１８に示すように、周波数に対する圧力振動の強度を算出し、圧力振動の強度が最大になる周波数ＦＭを算出する。すなわち、異常燃焼の特定圧力振動の周波数ＦＭを算出する。
【０１１５】
次に、ステップ１１５において、図１９に示すように、周波数ＦＭと機械圧縮比εに基づいて、異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを推定する。たとえば、機械圧縮比ごとに、周波数ＦＭを関数にする第１のクランク角度ＣＡＦＭの値を予め電子制御ユニット３１に記憶させておくことができる。
【０１１６】
ステップ１１６においては、機械圧縮比εおよび異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを記憶する。本実施の形態においては、電子制御ユニット３１に記憶する。この制御を繰り返して行うことにより、所定の機械圧縮比ごとに異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを複数個算出して記憶しておくことができる。すなわち、異常燃焼が発生するクランク角度を学習することができる。
【０１１７】
図２２に、本実施の形態における異常燃焼の発生を判別する制御のフローチャートを示す。ステップ１０１においては、機械圧縮比を取得する。
【０１１８】
ステップ１０２においては、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。この時に、本実施の形態においては、複数個の異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭに基づいて、最も頻度が高い第２のクランク角度ＣＡＦＭＭを選定する。第２のクランク角度ＣＡＦＭＭを用いて、バンドパスフィルタの周波数帯域を設定する。
【０１１９】
バンドパスフィルタの周波数帯域を設定するために用いる第２のクランク角度ＣＡＦＭＭの選定については、この形態に限られず、図２１に示す制御にて取得した複数の第１のクランク角度ＣＡＦＭを用いて、任意の制御により、異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭを設定することができる。たとえば、第２のクランク角度ＣＡＦＭＭは、直前の制御にて推定した異常燃焼が発生する第１のクランク角度ＣＡＦＭを採用しても構わない。または、第２のクランク角度ＣＡＦＭＭは、複数の第１のクランク角度ＣＡＦＭを平均することにより算出しても構わない。
【０１２０】
次に、異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭに基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを設定する。図２０を参照して、本実施の形態においては、異常燃焼が発生する第２のクランク角度ＣＡＦＭＭに対して予め設定されたクランク角度の幅ΔＷを加算および減算することにより、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡを設定している。この後に、異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡおよび機械圧縮比ε１に基づいてバンドパスフィルタの周波数帯域ＦＢ１を設定することができる。
【０１２１】
異常燃焼が発生するクランク角度の区間ＳＣＡの設定については、この形態に限られず、第２のクランク角度ＣＡＦＭＭに基づいて、任意の制御により設定することができる。たとえば、複数の第１のクランク角度ＣＡＦＭを用いて統計的にクランク角度の幅ΔＷを算出しても構わない。
【０１２２】
図２２を参照して、次のステップ１０３からステップ１０７は、実施の形態１における制御と同様である（図７参照）。ステップ１０４においては、ステップ１０２において学習により設定したバンドパスフィルタの周波数帯域を用いて、特定圧力振動の信号を抽出することができる。
【０１２３】
本実施の形態の内燃機関においては、実際の異常燃焼の発生するクランク角度を推定するために、ノンキングが発生するクランク角度の区間ＳＣＡを小さく設定することができる。この結果、特定圧力振動の検出漏れを効果的に抑制しながら、バンドパスフィルタの周波数帯域の周波数の幅を小さくすることができる。このために、ノイズに対する耐性が向上し、異常燃焼の検出精度を向上させることができる。
【０１２４】
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
【０１２５】
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。また、上記の制御においては、作用が同一の範囲内で適宜ステップの順序を変更することができる。
【０１２６】
上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。
【符号の説明】
【０１２７】
１    機関本体
２    シリンダブロック
３    ピストン
５    燃焼室
１０    点火プラグ
３１    電子制御ユニット
４２    クランク角センサ
６１    筒内圧センサ
７９    クランクケース
８４，８５    カムシャフト
８７    偏心軸
８９    相対位置センサ
【図１】
2014101764.tif 000003
【図２】
2014101764.tif 000004
【図３】
2014101764.tif 000005
【図４】
2014101764.tif 000006
【図５】
2014101764.tif 000007
【図６】
2014101764.tif 000008
【図７】
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【図８】
2014101764.tif 000010
【図９】
2014101764.tif 000011
【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】
2014101764.tif 000016
【図１５】
2014101764.tif 000017
【図１６】
2014101764.tif 000018
【図１７】
2014101764.tif 000019
【図１８】
2014101764.tif 000020
【図１９】
2014101764.tif 000021
【図２０】
2014101764.tif 000022
【図２１】
2014101764.tif 000023
【図２２】
2014101764.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月18日(2013.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の火花点火式内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、気筒内の圧力振動を取得する筒内圧力取得手段と、筒内圧力取得手段により取得した圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含み、フィルタを通過した圧力信号に基づいて異常燃焼の発生を検出する異常燃焼検出手段とを備える。異常燃焼検出手段は、機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定するように形成されている。異常燃焼検出手段は、機械圧縮比の変化に伴ってフィルタの周波数帯域を変化させる場合に、周波数帯域の周波数の幅を変化させる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械圧縮比を変更可能な圧縮比可変機構と、
気筒内の圧力振動を取得する筒内圧力取得手段と、
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号のうち設定された周波数帯域の圧力信号を通過させるフィルタを含み、フィルタを通過した圧力信号に基づいて異常燃焼の発生を検出する異常燃焼検出手段とを備え、
異常燃焼検出手段は、機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定するように形成されており、機械圧縮比の変化に伴ってフィルタの周波数帯域を変化させる場合に、周波数帯域の周波数の幅を変化させることを特徴とする、火花点火式内燃機関。
【請求項２】
圧縮比可変機構は、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の高さを変更することにより機械圧縮比を変更可能に形成されており、
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号には、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号が含まれており、
異常燃焼検出手段は、燃焼室の高さ方向に共鳴する周波数の圧力信号を通過させるフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
機関回転数を検出する回転数検出器を備え、
異常燃焼検出手段は、機関回転数が高くなるほど、フィルタの周波数帯域を周波数が低くなる側に設定する、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
燃焼室における点火時期を検出する点火時期検出器を備え、
異常燃焼検出手段は、異常燃焼が発生するクランク角度の区間として点火時期以降の区間に基づいたフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項５】
筒内圧力取得手段により取得した圧力信号に基づいて、異常燃焼が発生するクランク角度を推定する推定手段と、
異常燃焼が発生するクランク角度および機械圧縮比を記憶する記憶手段とを備え、
異常燃焼検出手段は、記憶手段により記憶した機械圧縮比および異常燃焼が発生するクランク角度に基づいてフィルタの周波数帯域を設定する、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。