(57)【要約】【課題】  機械的なノイズが発生している場合でもノッキングの発生の有無を正確に判定する。【解決手段】  エンジン１００のシリンダブロックの振動を表わす信号値を検知するノックセンサ５００と、ノックセンサ５００により検知された信号をクランク軸角度に対応させて記憶して、記憶された信号を予め定められた短い時間間隔に分割して、時間間隔毎に信号値を周波数解析（ＦＦＴ）して、各時間間隔において周波数解析されたピーク周波数が時系列に従って低周波数領域側に変化しているとノッキングが発生していると判定するＤＳＰ９００とを含む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関において発生するノッキングを検知する検知装置であって、
シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、
前記検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、
前記記憶された信号値を予め定められた時間間隔毎に分割して、前記時間間隔毎に前記信号値を周波数解析するための解析手段と、
各前記時間間隔における周波数解析された特性値の時系列に従った変化に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む、ノッキング検知装置。
【請求項２】
前記解析手段は、前記信号値の強度が極大となるピーク周波数を特性値として算出するための手段を含み、
前記判定手段は、時系列に対するピーク周波数の変化の度合いに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む、請求項１に記載のノッキング検知装置。
【請求項３】
前記判定手段は、時系列に対するピーク周波数の変化の傾きと、予め定められた傾きとを比較することにより、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む、請求項２に記載のノッキング検知装置。
【請求項４】
内燃機関において発生するノッキングを検知する検知装置であって、
シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、
前記検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、
特定の周波数帯域のみを濾波する複数のフィルタを用いて、前記記憶された信号値を、前記周波数帯域毎に解析するための解析手段と、
前記信号値の極大タイミングの、前記それぞれの周波数帯域での時間ずれに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む、ノッキング検知装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記信号値の極大タイミングの、前記それぞれの周波数領域での時間ずれの傾きに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む、請求項４に記載のノッキング検知装置。
【請求項６】
前記判定手段は、前記信号値の極大タイミングの、前記それぞれの周波数領域での時間ずれの傾きと、予め定められた傾きとを比較することにより、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む、請求項５に記載のノッキング検知装置。
【請求項７】
内燃機関において発生するノッキングを検知する検知装置であって、
シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、
前記検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、
フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いて、前記記憶された信号値を周波数解析するための解析手段と、
前記周波数解析の結果に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む、ノッキング検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関において発生するノッキングの検知装置に関し、特に、ノイズを含む検知信号であっても精度高くノッキングの発生の有無を検知するノッキングの検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、たとえば車両のエンジン等におけるノッキングの発生を抑制するには、エンジンの点火時期を基本点火時期より遅角側に補正することが有効であることはよく知られている。このため、ノッキングの発生を精度よく検出することが、ノッキングの抑制に不可欠である。ところで、ノッキングの発生を抑制するための点火時期制御装置では、エンジンのシリンダブロック等に設けたノッキングセンサ、通常は機関振動を電気信号に変換する圧電体や磁歪体等で構成されたノッキングセンサが用いられている。そして、このノッキングセンサの検出結果に基づきノッキングの発生を判断するにあたり、その判断精度の向上を図るために種々の技術が提案されている。たとえば、車両のワイパ作動時や照明点灯時等に発生する電気ノイズがノッキングセンサの信号ラインに重畳してノッキングを誤判断することを回避し、ノッキングの発生の判断精度の向上が図られている。この点火時期制御装置であっても、ノッキングの発生を誤判断し、ノッキングの発生を有効に抑制できない場合がある。この原因としては、電気ノイズに起因しないノイズがエンジンに発生し、このノイズに基づきノッキングの発生が誤判断されていることが考えられる。この電気ノイズに起因しないノイズが発生する一因としては、ピストンがシリンダボアに衝突して打音が生じたり、シリンダブロックにこの衝突に起因する振動が生じること等が挙げられる。この現象は、点火時期の遅角に伴ってより顕著となるので、その遅角の程度等によっては、ピストンの打音や衝突に起因する振動がノッキング発生時における振動に近似した周波数や発生タイミングで起きる。このため、ノッキングの発生が誤判断される。  このようにノッキングの発生を誤判断すると、この誤判断に基づき点火時期が遅角制御されるので、誤った点火時期の遅角が行なわれるという問題があった。しかも、こうしてノッキングが発生していないにも拘らず点火時期を遅角制御することになり、燃焼効率の低下やエンジンの性能低下をまねく可能性がある。
【０００３】
なお、ピストンの衝突は、その発生頻度，衝撃の程度等がエンジンの個体差や経年変化，使用環境の相違等により異なり、一律ではない。たとえば、完成直後の同一型式のエンジンであっても、その部品精度や組み付け精度は許容される範囲内で相違し、エンジン個々に圧縮比等について個体差が生じる。このため、ピストンの打音や衝突に起因する振動が擬似ノッキングとして起きる頻度は、エンジンの使用当初からエンジンごとに異なる。また、圧縮比や燃焼室壁面へのカーボン粒子の堆積等は、使用期間や使用環境等により経年変化するため同一のエンジンであっても変化する。よって、擬似ノッキングが発生する頻度は、同一のエンジンであっても、経年変化や使用環境の相違等により異なるものとなる。このため、上記したようにノッキングの発生の誤判断の繰り返しによる上記不具合（燃焼効率やエンジン性能の低下）は、より顕著となる可能性がある。
【０００４】
このような問題に鑑み、特表平６−５０５８０５号公報（特許文献１）は、機械振動をノッキングとして誤判断することを回避できる内燃機関のノッキング検出装置を開示する。この内燃機関のノッキング検出装置は、フィルタを介して評価装置に接続された少なくとも１つのノッキングセンサを備えており、少なくとも１つのフィルタ手段の中心周波数が内燃機関の作動パラメータに依存して制御される、内燃機関のノッキング検出装置であって、作動パラメータはクランク軸角度であり、中心周波数は上死点後に発生するノッキング信号においてクランク軸角度が増大するにつれて発生する周波数変化が考慮されるように制御されることを特徴とするものである。
【０００５】
この内燃機関のノッキング検出装置によると、ノッキングセンサからの物体音響センサの出力信号が増幅され濾波され整流されて積分された後にデジタル化されてノッキングの有無が判定される。ノッキングに起因する振動の周波数は内燃機関の作動パラメータに依存して変化される。そのため、ノッキング振動を濾波除去すべきフィルタの中心周波数は偏移される。制御される中心周波数を有するフィルタを通過した信号を、一定の中心周波数を有するフィルタを通過した信号と比較することにより、これらの信号の間に所定の値を上回る差があると、ノッキングが発生していると検知する。すなわち、ノッキングセンサにより供給される信号の周波数偏移の分析によりノッキングが発生の有無を判定することができる。
【特許文献１】特表平６−５０５８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された内燃機関のノッキング検出装置においては、クランク角度によるノッキングが発生している場合のピーク周波数が推移するという現象に鑑み、複数（多数）のバンドパスフィルタを用いて信号を処理する。それぞれのフィルタを濾波した信号の振動強度値を各周波数帯域毎に逐一分析していく。その結果、複数のフィルタにより濾波された周波数強度を各周波数帯域においてどのような関係になっているかを分析する必要がある。機械的なノイズが、ある特定の周波数帯域においてノッキング周波数のピーク値と近似した場合、その周波数帯域における分析結果が誤差を含むことになる。この誤差の存在がノッキング発生の有無判定を誤らせる可能性がある。
【０００７】
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、ノイズを含む検知信号であっても精度高く、ノッキングの発生の有無を検知することができるノッキング検知装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明に係るノッキング検知装置は、内燃機関において発生するノッキングを検知する。この検知装置は、シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、記憶された信号値を予め定められた時間間隔毎に分割して、時間間隔毎に信号値を周波数解析するための解析手段と、各時間間隔における周波数解析された特性値の時系列に従った変化に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む。
【０００９】
第１の発明によると、たとえば、圧力センサやイオン電流センサを用いてシリンダ内圧や燃焼状態を表わす信号値を検知したり、振動検知センサやマイクロホンを用いてシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知したりする。ノッキングが発生していると、この信号値には、周波数により異なる強度を有する。クランク軸角度が上死点にあるときからの経過時間に伴って、強度が極大でである周波数（以下、ピーク周波数という）が低周波数領域に移行する。記憶手段には、このクランク軸角度に対応させて信号値が記憶され、解析手段により、クランク軸角度が圧縮行程の上死点である時間から予め定められた時間間隔毎に分割して、時間間隔毎に信号値が周波数解析される。時間間隔毎に周波数解析するということは、時間をずらして周波数解析されることになり、その時間間隔におけるピーク周波数が徐々に低周波数になると、ノッキングが発生していると判定できる。一方、機械的なノイズは周波数が変化しないので、たとえ信号値に機械的なノイズが含まれても、ピーク周波数が徐々に低周波数領域に移行する周波数成分があるとノッキングが発生していると判定でき、そのような周波数成分がないとノッキングが発生していないと判定できる。その結果、ノイズを含む検知信号であっても精度高く、ノッキングの発生の有無を検知することができるノッキング検知装置を提供することができる。
【００１０】
第２の発明に係るノッキング検知装置においては、第１の発明の構成に加えて、解析手段は、信号値の強度が極大となるピーク周波数を特性値として算出するための手段を含む。判定手段は、時系列に対するピーク周波数の変化の度合いに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む。
【００１１】
第２の発明によると、検知された信号値の中には、ノッキングを表わす成分が含まれないでノイズを表わす成分しか含まれない場合、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する変化を有さない。一方、検知された信号値の中にノッキングを表わす成分が含まれると、ノイズを表わす成分の有無に関わらず、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する変化を有する。この時間によりピーク周波数が変化する度合いが大きいと、ノッキングが発生していると判定することができる。
【００１２】
第３の発明に係るノッキング検知装置においては、第２の発明の構成に加えて、判定手段は、時系列に対するピーク周波数の変化の傾きと、予め定められた傾きとを比較することにより、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む。
【００１３】
第３の発明によると、検知された信号値の中には、ノッキングを表わす成分が含まれないでノイズを表わす成分しか含まれない場合、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する傾きを有さない。一方、検知された信号値の中に、ノッキングを表わす成分が含まれると、ノイズを表わす成分の有無に関わらず、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する傾きを有する。予め定められた時間間隔毎に分割して周波数解析した結果、この時間によりピーク周波数が変化する傾きが予め定められた傾きよりも大きいと（すなわち変化が大きいと）、ノッキングが発生していると判定することができる。
【００１４】
第４の発明に係るノッキング検知装置は、内燃機関において発生するノッキングを検知する。この検知装置は、シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、特定の周波数帯域のみを濾波する複数のフィルタを用いて、記憶された信号値を、周波数帯域毎に解析するための解析手段と、信号値の極大タイミングの、それぞれの周波数帯域での時間ずれに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む。
【００１５】
第４の発明によると、たとえば、圧力センサやイオン電流センサを用いてシリンダ内圧や燃焼状態を表わす信号値を検知したり、振動検知センサやマイクロホンを用いてシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知したりする。ノッキングが発生していると、この信号値には、周波数により異なる強度を有する。クランク軸角度が圧縮行程の上死点であるときからの経過時間に伴って、ピーク周波数が低周波数領域に移行する。記憶手段には、このクランク軸角度に対応させて信号値が記憶され、解析手段により、クランク軸角度が上死点にある時間から、複数種類のバンドパスフィルタを用いて信号値が解析される。複数種類のバンドパスフィルタを用いて信号値を解析するということは、信号値の中に特定の周波数成分を含むか否かが解析されることになる。時間の経過とともに、より低周波数側のバンドパスフィルタにおいて信号波形が現れると、ピーク周波数が低周波数領域に移行していることを示す。このため、このような場合には、ノッキングが発生していると判定できる。一方、機械的なノイズは周波数が変化しないので、たとえ信号値に機械的なノイズが含まれても、ピーク周波数が徐々に低周波数領域に移行する周波数成分があるとノッキングが発生していると判定でき、そのような周波数成分がないとノッキングが発生していないと判定できる。その結果、ノイズを含む検知信号であっても精度高く、ノッキングの発生の有無を検知することができるノッキング検知装置を提供することができる。
【００１６】
第５の発明に係るノッキング検知装置においては、第４の発明の構成に加えて、判定手段は、信号値の極大タイミングの、それぞれの周波数帯域での時間ずれの傾きに基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む。
【００１７】
第５の発明によると、検知された信号値の中には、ノッキングを表わす成分が含まれないでノイズを表わす成分しか含まれない場合、複数のバンドパスフィルタを用いて解析されたピーク周波数は、低周波数側になるほど現れる波形が遅れるという時間の推移に対する変化を有さない。一方、検知された信号値の中にノッキングを表わす成分が含まれると、ノイズを表わす成分の有無に関わらず、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する変化を有する。この時間によりピーク周波数が変化する度合いが大きいと、ノッキングが発生していると判定することができる。
【００１８】
第６の発明に係るノッキング検知装置においては、第５の発明の構成に加えて、判定手段は、信号値の極大タイミングの、それぞれの周波数帯域での時間ずれの傾きと、予め定められた傾きとを比較することにより、ノッキングの発生の有無を判定するための手段を含む。
【００１９】
第６の発明によると、検知された信号値の中には、ノッキングを表わす成分が含まれないでノイズを表わす成分しか含まれない場合、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する傾きを有さない。一方、検知された信号値の中に、ノッキングを表わす成分が含まれると、ノイズを表わす成分の有無に関わらず、特性値として解析されたピーク周波数は、時間の推移に対する傾きを有する。複数のバンドパスフィルタを用いて周波数解析した結果、この時間によりピーク周波数が変化する傾きが予め定められた傾きよりも大きいと（すなわち変化が大きいと）、ノッキングが発生していると判定することができる。
【００２０】
第７の発明に係るノッキング検知装置は、内燃機関において発生するノッキングを検知する。この検知装置は、シリンダ内圧を表わす信号値を検知またはシリンダブロックの振動または音響を表わす信号値を検知するための検知手段と、検知された信号値をクランク軸角度に対応させて記憶するための記憶手段と、フーリエ変換またはウェーブレット変換を用いて、記憶された信号値を周波数解析するための解析手段と、周波数解析の結果に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定するための判定手段とを含む。
【００２１】
第７の発明によると、時間軸に対して変化する信号値の波形を解析する短時間フーリエ変換やウェーブレット変換を用いて周波数分布のピーク値を周波数解析する。このような周波数解析の結果、時間に対する変化成分を有していると、ノッキングが発生していると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】
【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じである。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】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関用ノック制御装置が適用されたエンジンシステムについて説明する。図１は、このようなエンジンシステムの全体構成を示す概略図である。なお、以下の説明においては、ノッキングを検知するノックセンサは、シリンダブロックの振動を検知する振動センサであるとして説明する。このノックセンサはエンジンに１つまたは複数設けられる。また、シリンダブロックの振動を検知するノックセンサの代わりに、マイクロホンを用いてシリンダブロックの発する音響を検知するようにしてもよいし、シリンダの筒内圧を検知する圧力センサを用いて、ノッキングを検知するようにしてもよい。この場合においても、このような圧力センサは、各気筒毎や特定の気筒に設けられ、個数は特に限定されない。さらに、シリンダ内の燃焼状態を検知するため、電極間に流れるイオン電流を検知するセンサを用いるようにしても良い。
【００２４】
図１において、このエンジンシステムは、４気筒４サイクルエンジン１００と、エアクリーナ、エアフローメータを通った吸入空気が通過する吸気通路２００と、エンジン１００に供給される吸気量を調節するスロットルバルブ３００と、エンジン１００の基準クランク角（たとえば、各気筒の圧縮上死点）を検出するための基準角センサ４１０とエンジン１００の一定クランク角毎に出力信号を発生するクランク角センサ４２０とを内蔵したディストリビュータ４００とを含む。そして、後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０００でクランク角センサ４２０からの信号に基づきエンジン回転数ＮＥが算出される。
【００２５】
エンジンシステムは、さらに、エンジン１００のノック発生現象に対応したシリンダブロックの振動を圧電素子式（ピエゾ素子式）、電磁式（マグネット、コイル）等によって検出するノックセンサ５００と、エンジン１００の冷却水温に応じた信号を発生する水温センサ６００と、ＥＣＵ１０００からの制御信号に基づき吸気マニホールドへ燃料噴射供給するインジェクタ（燃料噴射弁）７００と、ディストリビュータ４００から分配される高電圧によりエンジン１００のシリンダ内の混合気に火花点火し着火する点火装置８００と、ノックセンサ５００からの出力信号（ノックセンサ信号）をデジタル信号処理してノッキングの発生の有無を判定するＤＳＰ（Digital Signal Processor）９００とを含む。
【００２６】
ＥＣＵ１０００は、周知の各種演算処理を実行する中央処理装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、各種データを格納するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む。ＥＣＵ１０００は、ＤＳＰ９００によりノッキングが発生していると判断されると、ノックキングの発生を抑制するために、エンジン１００における点火装置８００による点火時期を遅角側に移行させる
、ＥＣＵ１０００が点火時期を遅角側に移行させて、ＤＳＰ９００によりノッキングが検知されなくなると、ＥＣＵ１０００は点火時期を進角側に移行させる。このようなＫＣＳ（Knock Control System）により、最適な点火時期に制御される。
【００２７】
図２を参照して、ノックセンサ５００からＤＳＰ９００に入力される信号波形について説明する。図２に示す信号波形は、横軸をクランク角度として、圧縮行程における上死点（ＴＤＣ）から９０度程度までクランク角が進む間の波形である。このようなクランク角度と振動強度との波形を、微小時間であるＴ（１）、Ｔ（２）、Ｔ（３）およびＴ（４）の各時間区間に区切る。この時間区間の長さは、極めて短い短時間であって、ＤＳＰ９００によるノックセンサ５００からの信号の取込み周波数（サンプルレート）に依存する。この時間区間の長さは、１００ｋＨｚサンプリングで１２８点（＝約１ｍｓ）程度になる。これは、この時間区間（Ｔ（１）、Ｔ（２）、Ｔ（３）およびＴ（４））が短時間過ぎると解析点数が不足するため周波数解析を行なった場合であっても十分な周波数分解能が得られない。一方、逆に時間間隔が長過ぎると、周波数分解能は向上するが時間分解能が悪化する。このため、周波数分解能と時間分解能とが適合するようにＤＳＰ９００におけるノックセンサ５００のサンプルレートによって定められる。当然ながら、このような区間の分割数も限定されない。
【００２８】
図２に示すように、ノックセンサ５００からＤＳＰ９００に入力されるノックセンサ５００の波形によってはノッキングによる振動と、機械振動による振動とを明確に区別することができない。本発明に係るノッキング検知装置は、このＤＳＰ９００により実現されるが、ＤＳＰ９００は、機械的な振動がノッキングによる振動に重畳している場合であっても、ノッキングの発生の有無を正確に検知することができる。
【００２９】
図３に、ＤＳＰ９００の具体例であるＤＳＰ９１０を含む制御ブロック図を示す。図３に示すように、本実施の形態に係るノッキング検知装置を実現するＤＳＰ９１０は、ノックセンサ５００からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、高速フーリエ変換を行なうＦＦＴ（Fast Fourier Transform）演算部と、高速フーリエ変換された結果に基づいてピーク周波数を検知するピーク検知部と、ピーク周波数の傾きを計算する傾き計算部と、傾き計算部により計算された結果に基づいて周波数推移有無の判定を行なう周波数推移有無判定部とを含む。
【００３０】
周波数推移有無判定部は、ノッキングの有無を判定する。周波数推移有無判定部によりノッキングの有無が判定された結果は、ＥＣＵ１０００に送信され、ＥＣＵ１０００が点火装置８００を制御する。ＥＣＵ１０００が点火装置８００を制御する態様については、上述の説明のとおりである。
【００３１】
図４を参照して、図３のＤＳＰ９１０で実行されるプログラムの制御構造について説明する。
【００３２】
ステップ（以下、ステップをＳと略す。）１００にて、ＤＳＰ９１０は、時間区域Ｔ（１）〜Ｔ（４）に対して高速フーリエ変換を実行する。Ｓ１１０にて、ＤＳＰ９１０は、ピーク周波数をそれぞれの時間領域において検知する。Ｓ１２０にて、ＤＳＰ９１０は、それぞれの時間領域におけるピーク周波数の傾きを計算する。Ｓ１３０にて、ＤＳＰ９１０は、ピーク周波数の傾きの有無によりノッキングの発生を判別する。このとき、ＤＳＰ９１０は、予め定められた傾きよりも大きな変化になる傾きを有する場合にはノッキングが発生していると判断する。
【００３３】
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検知装置の動作について説明する。
【００３４】
エンジン１００が始動されて、ＥＣＵ１０００により点火装置８００が制御されているときに、ノックセンサ５００によりシリンダブロックの振動が検知されＤＳＰ９１０に入力される。ノックセンサ５００からＤＳＰ９１０に入力されたアナログ信号はＡ／Ｄ変換部によりデジタル信号に変換され、高速フーリエ変換が実行される（Ｓ１００）。このとき、短時間の時間領域Ｔ（１）〜Ｔ（４）に分割して高速フーリエ変換が行なわれる。
【００３５】
高速フーリエ変換された結果に基づいて、各時間領域におけるピーク周波数が検知される（Ｓ１１０）。検出されたピーク周波数の傾きが計算される（Ｓ１２０）。このとき図５（Ａ）に示すようにノッキングが発生している場合には、時間領域Ｔ（１）、Ｔ（２）、Ｔ（３）、Ｔ（４）に示すように、時間の経過に従って、低周波数側にピーク周波数が推移する。図５（Ａ）の点線の矢印で示すものが傾きである。すなわち、図５（Ａ）に示すように、ノッキングが発生している場合には、高速フーリエ変換されて周波数分析された結果、ノックピークの周波数成分が、上死点からクランク角度が進むにつれて低周波数領域側に推移する。この推移している状態をノックピーク周波数の傾きとして計算される。
【００３６】
一方、図５（Ｂ）に示すようにノッキングが発生していない場合であって、機械的なノイズが発生している場合には、ノイズピーク周波数成分は、どの時間領域においてもその周波数が変化することがない。すなわち、図５（Ｂ）に示すように、ノッキングが発生せず機械的な振動ノイズが発生している場合においては、傾き（図５（Ｂ）における点線矢印）に示すように、上死点からクランク軸角度が進むにつれても周波数が変化することがない。すなわち、傾きが０ということになる。
【００３７】
図５（Ａ）に示すように、ノックピーク周波数成分が時間の経過とともに低周波数領域側に傾きを有する場合には、ノッキングが発生していると判別される（Ｓ１３０）。
【００３８】
以上のようにして、本実施の形態に係るノッキング検知装置によると、ノッキングセンサから入力された信号値を圧縮行程における上死点を基準として、ごく短時間の複数の時間領域に分割する。分割された時間領域毎に高速フーリエ変換を行ないノックセンサの信号値が極大値となるノックピーク周波数の成分を抽出する。このノックピークの周波数成分が、時間が経過するに従って（クランク軸が０度から９０度程度に回転する過程において）、低周波数側に予め定められた傾きよりも大きな変化となる傾きを有する場合にはノッキングが発生していると判断する。一方、そのような傾きを有さない場合やピークが発生していない場合には、ノッキングが発生していないと判断する。
【００３９】
このように、圧縮行程における上死点から９０度程度まで、クランク角度が進行する間に、ノッキングのピーク周波数が低周波数領域側に移行する理由は、主にピストン下降によるガス温度の低下に起因する温度低下によるものである。すなわち、爆発行程においては、上死点付近で燃焼室内の気体温度は最大となり、ピストンの下降につれて膨張により温度が低下する。気体の音速は温度の低下とともに低下するため、ノッキングが発生している場合の塔内ガス共振周波数は低周波数側に推移していく。一方、機械振動に代表されるノイズ振動は、塔内ガスの共振による振動とは何ら関係がないため、周波数の推移を発生しない。その結果、ノッキング以外のノイズによる振動が発生している場合であっても、ノッキングの有無を正確に判定することができる。
【００４０】
＜第２の実施の形態＞
以下、本発明の第２の実施の形態に係るノッキング検知装置について説明する。なお本実施の形態に係るノッキング検知装置は、前述の第１の実施の形態に係るＤＳＰ９１０とは異なる構成のＤＳＰ９２０を有し、ＤＳＰ９２０において実行されるプログラムの制御構造が異なる。それ以外のハードウェア構成については、前述の第１の実施の形態（図１）と同じである。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。
【００４１】
図６に、本実施の形態に係るノッキング検知装置を実現するＤＳＰ９１０の制御ブロック図を示す。図６に示すように、ＤＳＰ９２０は、ノックセンサ５００からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、Ａ／Ｄ変換部にそれぞれ接続された複数のバンドパスフィルタＢＰＦ（１）〜ＢＰＦ（３）…と、時間ずれ計算部と、周波数推移有無判定部とを含む。
【００４２】
バンドパスフィルタＢＰＦ（２）は、ＢＰＦ（１）に比べてより低い周波数領域の信号成分を通過させる。バンドパスフィルタＢＰＦ（３）は、バンドパスフィルタＢＰＦ（２）に比べてより低い周波数領域の信号成分を通過させる。
【００４３】
すなわち、ＢＰＦ（１）、ＢＰＦ（２）、ＢＰＦ（３）、…の順に、より低い周波数領域の信号を通過させるように構成される。
【００４４】
時間ずれ計算部は、各バンドパスフィルタを通過した波形の時間のずれを計算する。周波数推移有無判定部は、ノッキングの発生の有無を判定する。このとき、時間ずれ計算部により計算された時間のずれが発生していると判断されるとノッキングが発生していると判断される。
【００４５】
図７を参照して、図６のＤＳＰ９２０において実行されるプログラムの制御構造について説明する。
【００４６】
Ｓ２００にて、ＤＳＰ９２０は、ノックセンサ５００から入力されＡ／Ｄ変換部により変換された信号波形をバンドパスフィルタにより複数の周波数帯域（少なくとも３つの周波数帯域）を抽出して解析する。Ｓ２１０にて、ＤＳＰ９２０は、波形の時間的なずれを計算する。Ｓ２２０にて、ＤＳＰ９２０は、波形の時間的なずれに基づいて、ピーク周波数の傾きを計算する。Ｓ２３０にて、ＤＳＰ９２０は、ピーク周波数の傾きの有無によりノッキングの発生の有無を判別する。
【００４７】
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検知装置の動作について説明する。
【００４８】
エンジン１００の動作中に、ノックセンサ５００からＤＳＰ９２０に検知信号が入力されて、Ａ／Ｄ変換部によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された信号波形は、複数のバンドパスフィルタＢＰＦ（１）、ＢＰＦ（２）、ＢＰＦ（３）、…により複数の周波数帯域が抽出される。
【００４９】
このとき、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示すように、横軸を時間軸として、縦軸を信号強度としてそれぞれのバンドパスフィルタを通過した信号の波形が求められる。図８（Ａ）がノッキングが発生している場合であってかつ機械的な振動が発生している場合であり、図８（Ｂ）が機械的振動のみを検知した場合である。
【００５０】
複数の周波数帯域に分割された波形毎にピーク周波数が算出されその時間のずれが算出される（Ｓ２１０）。その時間のずれからピーク周波数の傾きが演算される（Ｓ２２０）。この傾きを、図８（Ａ）に点線の矢印で示す。図８（Ａ）におけるバンドパスフィルタＢＰＦ（２）の波形は、図８（Ｂ）のバンドパスフィルタＢＰＦ（２）の波形に、図８（Ａ）のバンドパスフィルタＢＰＦ（１）の波形を右側にずらした波形を重畳させたものである。すなわち、図８（Ａ）のバンドパスフィルタＢＰＦ（２）においては、ノッキングによる振動信号と、ノイズによる振動信号とが重畳されたようになっている。
【００５１】
ところが、図８（Ａ）のＢＰＦ（１）およびＢＰＦ（３）の周波数帯域においては、ノイズのピーク周波数が通過しないので、ノイズ波形がノッキング波形に重畳しないため、図８（Ａ）に示すような矢印の傾きを算出することができる。
【００５２】
一方、ノッキングが発生せずに機械的なノイズが発生している場合には、図８（Ｂ）に示すように、特定の周波数帯域（ここでは、バンドパスフィルタＢＰＦ（２）を通過する周波数帯域がノイズの周波数帯域であるとする）においてのみ波形が発生している。図８（Ｂ）のバンドパスフィルタＢＰＦ（１）およびＢＰＦ（３）の周波数帯域においては波形が存在していない。そのため、傾きを算出することができない。傾きが算出された場合にはノッキングが発生していると判別され、傾きがない場合にはノッキングが発生していないと判断される。
【００５３】
以上のようにして、本実施の形態に係るノッキング検知装置によると、前述の実施の形態のように、高速フーリエ変換を用いることなく、複数のバンドパスフィルタを用いて、ノイズが発生している場合であってもノッキングの有無を正確に判別することができる。
【００５４】
＜第３の実施の形態＞
以下、本発明の第３の実施の形態に係るノッキング検知装置について説明する。本実施の形態に係るノッキング検知装置は、前述の第２の実施の形態と同様、第１の実施の形態のＤＳＰ９００とは異なるＤＳＰ９３０を有し、そのＤＳＰ９３０で実行されるプログラムの制御構造が異なる点が特徴である。それ以外のハードウェア構成については、前述の第１の実施の形態（図１）と同じであるため、ここでの詳細な説明は繰返さない。
【００５５】
図９に、本実施の形態に係るノッキング検知装置のＤＳＰ９３０の制御ブロック図を示す。図９に示すように、ＤＳＰ９３０は、ノックセンサ５００から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、変換されたデジタル信号を短時間フーリエ解析する短時間フーリエ解析部またはウェーブレット解析するウェーブレット解析部と、周波数推移有無判定部とを含む。
【００５６】
周波数有無判定部はノッキングの有無を判定する。なお、短時間フーリエ解析部またはウェーブレット解析部において実行される短時間フーリエ解析やウェーブレット解析は、周知の技術を用いるものであって、ここでの詳細な説明は繰返さない。
【００５７】
図１０を参照して、本実施の形態に係るノッキング検知装置のＤＳＰ９３０で実行されるプログラムの制御構造について説明する。
【００５８】
Ｓ３００にて、ＤＳＰ９３０は、短時間フーリエ解析またはウェーブレット解析を実行する。Ｓ３１０にて、ＤＳＰ９３０はピーク周波数の傾きを計算する。Ｓ３２０にて、ＤＳＰ９３０は傾きの有無よりノッキングの発生の有無を判別する。
【００５９】
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検知装置の動作について説明する。
【００６０】
エンジン１００の動作中に、ノックセンサ５００からの検知信号がＤＳＰ９３０に入力される。ＤＳＰ９３０において短時間フーリエ解析またはウェーブレット解析が実行され（Ｓ３００）、ピーク周波数の傾きが計算される（Ｓ３１０）。
【００６１】
このとき、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）にウェーブレット変換された結果を示す。図１１（Ａ）がノッキングが発生している場合における、ウェーブレット変換された後の、時間軸に対する周波数変化を表わす。図１１（Ｂ）がノッキングが発生していないが機械的な振動が発生している場合における、ウェーブレット変換された後の、時間軸に対する周波数変化を表わす。
【００６２】
図１１（Ａ）に示すように、ノッキングが発生している場合には、時間軸に対して周波数の変化が、ある傾きをもって現れる。一方、図１１（Ｂ）に示すように、ノッキングが発生していないで機械的な振動が発生している場合には、時間軸に対して周波数変化が発生しない。このようにして傾きがあるとノッキングが発生していると判断しノッキングが発生していないとノイズが発生していても傾きが発生していないためノッキングが発生していないと判断する。
【００６３】
以上のようにして本実施の形態に係るノッキング検知装置によると短時間フーリエ変換やウェーブレット変換を用いて周波数解析した結果を用いてノッキングの発生の有無を正確に判別することができる。
【００６４】
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】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態に係るノック検出装置を有するエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】ノックセンサからＤＳＰへ入力される信号の波形を図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るノック検出装置の制御ブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰで実行されるプログラムの制御構造である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰでの解析結果を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るノック検出装置の制御ブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰで実行されるプログラムの制御構造である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰでの解析結果を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るノック検出装置の制御ブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰで実行されるプログラムの制御構造である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係るノック検出装置のＤＳＰでの解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１００  エンジン、２００  吸気通路、３００  スロットルバルブ、４００  ディストリビュータ、４１０  基準角センサ、４２０  クランク角センサ、５００  ノックセンサ、６００  水温センサ、７００  インジェクタ、８００  点火装置、９００，９１０，９２０，９３０  ＤＳＰ、１０００  ＥＣＵ。
【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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