(57)【要約】  【課題】  エンジン運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせた基準ノック波形を用いて、人の聴感に対応した信頼性の高いノック判定を自動的に行うことができるようにする。  【解決手段】  エンジン１１に筒内圧センサ１２を取り付け、この筒内圧センサ１２の信号波形と予め作成された基準ノック波形との相関性（類似性）を相互相関法で評価してノックを判定する。この際、基準ノック波形は、振幅が一定で、周波数のみが時間経過に伴って低下する振動波形を用いる。これにより、エンジン運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせた基準ノック波形を用いて、人の聴感に対応した信頼性の高いノック判定を自動的に行うことが可能となる。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段と、このノック信号出力手段の出力信号の波形と予め作成された基準ノック波形との相関性を評価する相関性評価手段と、この相関性評価手段で評価した相関性に基づいてノック判定を行うノック判定手段とを備えた内燃機関のノック検出装置において、
前記基準ノック波形は、周波数が時間経過に伴って変化する振動波形であることを特徴とする内燃機関のノック検出装置。
【請求項２】
前記基準ノック波形は、振幅が一定で周波数のみが変化する振動波形であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノック検出装置。
【請求項３】
内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段から出力される信号波形と予め作成された基準ノック波形との相関性を評価してノック判定を行う内燃機関のノック検出方法において、
前記基準ノック波形として、周波数が時間経過に伴って変化する振動波形を用いることを特徴とする内燃機関のノック検出方法。
【請求項４】
前記基準ノック波形は、振幅が一定で周波数のみが変化する振動波形であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のノック検出方法。
【請求項５】
内燃機関の設計開発段階で点火時期を適合する際に、請求項３又は４に記載のノック検出方法で得られたノック判定結果に基づいてノック許容範囲を確認しながら点火時期を適合することを特徴とする内燃機関の点火時期適合方法。
【請求項６】
内燃機関の運転中に、請求項３又は４に記載のノック検出方法で得られたノック判定結果に基づいてノック許容範囲を確認しながら点火時期を制御することを特徴とする内燃機関の点火時期制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノック信号出力手段の出力信号の波形と予め作成された基準ノック波形との相関性を評価してノック判定する内燃機関のノック検出装置、ノック検出方法、点火時期適合方法及び点火時期制御方法に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、特許文献１（特開２００３−３１４３４９号公報）に示すように、人の聴感に対応したノック判定を自動的に行うために、内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段（例えば筒内圧センサ、マイク、ノックセンサ等）を用いて、このノック信号出力手段の出力信号の波形（検出波形）と予め作成された基準ノック波形との相関性を評価してノック判定を行う技術が研究されている。この特許文献１には、基準ノック波形を実験やシミュレーションにより作成することが記載されている。
【特許文献１】特開２００３−３１４３４９号公報（段落［００３４］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１のノック検出方法において、検出性・信頼性を高めるためには、基準ノック波形に、エンジン運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせる必要がある。しかし、上記特許文献１には、基準ノック波形を実験やシミュレーションにより作成すると記載されているだけであり、具体的にどの様なノック現象の共通の特徴を基準ノック波形に持たせれば良いかについては、未解決の課題となっていた。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせた基準ノック波形を用いて、人の聴感に対応した信頼性の高いノック判定を自動的に行うことができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の運転中に発生するノックに応じて出力信号の波形が変化するノック信号出力手段から出力される信号波形と予め作成された基準ノック波形との相関性を評価してノック判定を行うものにおいて、基準ノック波形として、周波数が時間経過に伴って変化する振動波形を用いることを特徴とするものである。本発明者は、基準ノック波形を適正化するために、様々な運転条件で、ノック発生時の信号波形を解析し、周波数変化と振幅変化を分析した結果、ノック発生時の信号波形の振幅変化については、運転条件に応じて複雑な変化が生じて共通の特徴が現れないことが判明した。これに対して、ノック発生時の信号波形の周波数変化については、運転条件が変化しても、共通の特徴が現れることが判明した。この場合、周波数変化についての共通の特徴は、周波数が時間経過に伴って低下するという特徴である。この特徴に着目し、本発明は、基準ノック波形として、周波数が時間経過に伴って変化する振動波形を用いるようにしたものであり、これにより、運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせた基準ノック波形を用いて、人の聴感に対応した信頼性の高いノック判定を自動的に行うことが可能となる。
【０００６】
この場合、上述したように、ノック発生時の信号波形の振幅変化については、運転条件に応じて複雑な変化が生じて共通の特徴が現れないため、基準ノック波形の振幅を変化させても、あまり意味がないと思われる。従って、基準ノック波形の振幅については、一定とし、周波数のみを変化させるようにすると良い。このように、基準ノック波形の振幅を一定とすれば、基準ノック波形の作成が容易になると共に、ノック信号出力手段の信号波形と基準ノック波形との相関性を評価するための積和演算等の演算処理も容易となり、演算負荷を軽減できる利点がある。
【０００７】
本発明のノック検出方法は、内燃機関の設計開発段階で点火時期を適合する工程に適用しても良い。点火時期の適合工程で、本発明のノック検出方法で得られたノック判定結果に基づいてノック許容範囲を確認しながら点火時期を適合すれば、人の聴感に対応したノック判定を人の聴感に頼らずに自動的に行うことができ、点火時期の適合工数を大幅に削減して適合時間を短くできて、車両の設計開発期間を短くすることができる。
【０００８】
また、本発明のノック検出装置を車両に搭載して、内燃機関の運転中に本発明のノック検出方法で得られたノック判定結果に基づいてノック許容範囲を確認しながら点火時期を制御するようにしても良い。このようにすれば、運転者の聴感に対応したノック制御を行うことができ、全運転領域で運転者に不快感を感じさせない範囲で、点火時期を進角させて、出力や燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を図面に基づいて説明する。
【００１０】
まず、図１に基づいてノック検出装置全体のシステム構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１のシリンダヘッドには、筒内圧を検出する筒内圧センサ１２がノック信号出力手段として取り付けられている。この筒内圧センサ１２は、点火プラグ１３と一体化されたものを用いても良いし、点火プラグ１３とは別個に構成されたものを用いても良い。この筒内圧センサ１２の出力信号は、ハイパスフィルタ１４とＡ／Ｄ変換装置１５を介してノック判定用コンピュータ１６（相関性評価手段，ノック判定手段）に取り込まれる。図２に示すように、筒内圧センサ１２の出力信号の波形からハイパスフィルタ１４によって筒内圧の振動成分（ノック成分）のみが抽出される。
【００１１】
ノック判定用コンピュータ１６は、筒内圧センサ１２の信号波形と予め作成された基準ノック波形との相関性（類似性）を相互相関法で評価してノックを判定するようにしている。このようなノック検出方法において、検出性・信頼性を高めるためには、基準ノック波形に、エンジン運転条件に依存しないノック現象の共通の特徴を持たせる必要がある。      
【００１２】
そこで、本発明者は、基準ノック波形を適正化するために、様々なエンジン運転条件でノック発生時の信号波形を解析し、周波数変化と振幅変化を分析した。筒内圧センサ１２の信号波形の周波数成分を解析すると、様々なエンジン運転条件で、共通してノックの２次周波数成分（１４ｋＨｚ付近の周波数成分）が多く含まれることが判明した。これは、ノックの２次周波数の振動がシリンダ内の上下方向（つまり筒内圧センサ１２の設置方向）に生じるためと思われる。
【００１３】
この周波数成分の分析結果から、本実施例では、ノックの２次周波数成分に着眼して周波数変化と振幅変化を分析した。図３は、様々なエンジン運転条件で、ノック発生時の信号波形の振幅変化を測定した結果を表している。この測定結果から明らかなように、ノック発生時の信号波形の振幅変化については、エンジン運転条件に応じて複雑な変化が生じて共通の特徴が現れないことが判明した。従って、基準ノック波形の振幅を変化させても、あまり意味がないと思われるため、基準ノック波形の振幅については、一定とするものとする。
【００１４】
一方、ノック発生時の信号波形の周波数変化については、図４に示すような測定結果が得られた。ノックの２次周波数成分に関して見ると、様々なエンジン運転条件で、ノック発生当初θ１（２５℃Ａ）の周波数がほぼ１４〜１５ｋＨｚとなり、この周波数が時間経過に伴ってほぼリニアに低下し、ノック振動が十分に減衰する所定クランク角θ２（５０℃Ａ）で、ほぼ１０〜１１ｋＨｚになり、エンジン運転条件を変えても、周波数変化度合はクランク角に対して同じになることが判明した。
【００１５】
次に、周波数変化のメカニズムについて考察する。シリンダ内のボア方向の共振周波数Ｆｒは次式により算出される。
Ｆｒ＝Ｃ・ρ／（π・ボア径）
ここで、Ｃは音速、ρはガス密度である。
【００１６】
音速Ｃは、次式により算出される。
Ｃ＝√（κ・Ｒ・Ｔ）
ここで、κはガス定数、Ｒは比熱比、Ｔは温度である。
【００１７】
燃焼行程のピストンの移動による燃焼室の体積変化を断熱変化と見なして、ノック発生当初θ１（２５℃Ａ）からノック振動が十分に減衰する所定クランク角θ２（５０℃Ａ）までのシリンダ内の温度変化（Ｔ１→Ｔ２）を気体の状態方程式により算出すると、次式の関係が得られる。
Ｔ２＝０．６３０・Ｔ１
ここで、Ｔ１はノック発生当初θ１（２５℃Ａ）の温度であり、Ｔ２はノック振動減衰時（５０℃Ａ）の温度である。
【００１８】
次に、シリンダ内の音速Ｃの変化（Ｃ１→Ｃ２）を考える。
Ｃ２＝√（κ・Ｒ・Ｔ２）
＝√（κ・Ｒ・０．６３０・Ｔ１）
＝０．７９４・√（κ・Ｒ・Ｔ１）
＝０．７９４・Ｃ１
ここで、Ｃ１はノック発生当初θ１（２５℃Ａ）の音速であり、Ｃ２はノック振動減衰時（５０℃Ａ）の音速である。上式では、ガス定数κと比熱比Ｒに変化がないものと仮定したが、実際には、混合気の燃焼によるＣＯ2 の増加により比熱比Ｒが下がる方向に変化する。
【００１９】
上述した音速Ｃの変化（Ｃ１→Ｃ２）の関係から、共振周波数Ｆｒの変化（Ｆｒ１→Ｆｒ２）は次式で表される。
Ｆｒ２＝０．７９４・Ｆｒ１    ……［理論値］
ここで、Ｆｒ１はノック発生当初θ１（２５℃Ａ）の共振周波数であり、Ｆｒ２はノック振動減衰時（５０℃Ａ）の共振周波数である。
【００２０】
本発明者の実験結果によれば、共振周波数Ｆｒの変化（Ｆｒ１→Ｆｒ２）は次式で表される。
Ｆｒ２＝０．７２７・Ｆｒ１    ……［実験値］
実験値が理論値と異なる理由は、冷却水による温度低下により周波数低下幅が大きくなるものと考えられる。このように、実験値と理論値との間に若干の相違があるものの、エンジン運転条件を問わず、周波数変化度合がクランク角に対して同じになるという特徴には変わりがない。
【００２１】
この特徴に着目し、本実施例では、基準ノック波形として、振幅が一定で、周波数のみが時間経過に伴って低下する振動波形を用いる。図５は、ノックの２次周波数についての基準ノック波形であり、ノック発生当初（２５℃Ａ）の周波数が１４ｋＨｚ、ノック振動減衰時（５０℃Ａ）の周波数が１０．５ｋＨｚとなる振動波形を基準ノック波形として用いる。
【００２２】
尚、図６は、ノックの１．５次周波数についての基準ノック波形であり、ノック発生当初（２５℃Ａ）の周波数が１１ｋＨｚ、ノック振動減衰時（５０℃Ａ）の周波数が８．２５ｋＨｚとなる振動波形を基準ノック波形として用いれば良い。
【００２３】
また、図７は、ノックの１次周波数についての基準ノック波形であり、ノック発生当初（２５℃Ａ）の周波数が６．７ｋＨｚ、ノック振動減衰時（５０℃Ａ）の周波数が５ｋＨｚとなる振動波形を基準ノック波形として用いれば良い。
【００２４】
筒内圧センサ１２のノック発生時の信号波形は、基準ノック波形と互いに相関性（類似性）があるため、図８に示すように、観測波形である信号波形ｘ(n) と検索波形である基準ノック波形ｙ(n) を積和演算して両者の相互相関値Ｒｘｙ(k) を求める。この相互相関値Ｒｘｙ(k) は、次式で表される。
【００２５】
【数１】
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【００２６】
この相互相関値Ｒｘｙ(k) の波形は、信号波形ｘ(n) と基準ノック波形ｙ(n) からノック成分を抽出した波形となる。この相互相関値Ｒｘｙ(k) はノック強度の測定値に相当し、人の聴感によるノック強度と相互相関値Ｒｘｙ(k) との関係が図９に示すように測定される。この図９の測定データから明らかなように、相互相関値Ｒｘｙ(k) と聴感によるノック強度とは、ほぼリニアな関係となるため、相互相関値Ｒｘｙ(k) をノック強度の測定値として用いれば、ノック強度の測定値を聴感によるノック強度とほぼ対応させることができ、点火時期の適合工程で人がエンジン運転騒音の中からノック音を聞き分けて判定する必要がなくなる。これにより、点火時期の適合工数を大幅に削減して適合時間を短くでき、車両の設計開発期間を短くすることができる。
【００２７】
しかも、本実施例では、基準ノック波形の振幅を一定にしたため、基準ノック波形の作成が容易になると共に、信号波形ｘ(n) と基準ノック波形ｙ(n) との相関性を評価するための積和演算等の演算処理も容易となり、演算負荷を軽減できる利点がある。
しかしながら、本発明は、基準ノック波形の振幅を変化させても良いことは言うまでもない。
【００２８】
尚、本実施例では、ノック信号出力手段として筒内圧センサ１２を用いたが、これに限定されず、エンジン１１のシリンダブロックの振動を検出するノックセンサをエンジン１１に取り付けて、このノックセンサの信号波形と基準ノック波形との相関性を評価するようにしても良く、また、エンジン運転中に発生する音を検出するマイクをエンジン１１に対して適当な間隔を隔てて設置し、このマイクで集音した音の信号波形と基準ノック波形との相関性を評価するようにしても良い。或は、燃焼時に筒内で発生するイオン電流を点火プラグ等を介して検出するイオン電流検出システムをノック信号出力手段として用いて、そのイオン電流検出信号の波形と基準ノック波形との相関性を評価するようにしても良い。
【００２９】
また、上記のいずれかのノック信号出力手段を車両に搭載して、エンジン運転中に本実施例と同様の方法でノック許容範囲を確認しながら点火時期を制御するようにしても良い。このようにすれば、運転者の聴感に対応したノック制御を行うことができ、全運転領域で運転者に不快感を感じさせない範囲で、点火時期を進角させて、出力や燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例におけるノック検出装置全体のシステム構成を説明する図である。
【図２】筒内圧波形とこれから抽出するノック波形の一例を説明する図である。
【図３】様々なエンジン運転条件で、ノック発生時の信号波形の振幅変化を測定した結果を表する図である。
【図４】時間に対する周波数変化の分析結果を説明する図である。
【図５】ノックの２次周波数についての基準ノック波形とその周波数変化を説明する図である。
【図６】ノックの１．５次周波数についての基準ノック波形とその周波数変化を説明する図である。
【図７】ノックの１次周波数についての基準ノック波形とその周波数変化を説明する図である。
【図８】信号波形ｘ(n) と基準ノック波形ｙ(n) を積和演算して両者の相互相関値Ｒｘｙ(k) を求める方法を説明する図である。
【図９】相互相関値と聴感によるノックレベルとの関係を表す実験データ図である。
【符号の説明】
【００３１】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…筒内圧センサ（ノック信号出力手段）、１３…点火プラグ、１６…ノック判定用コンピュータ（相関性評価手段，ノック判定手段）
【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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