(57)【要約】【課題】火花点火内燃機関のノック発生位置を検出する。【解決手段】燃焼室に複数箇所に配置された圧力センサから信号を取得する（Ｓ１００）。その信号から、ノックを特徴づける周波数帯域の成分を抽出し、その帯域のスペクトル密度の時間に対する変化の様子を示すスペクトル密度の時間履歴を得る（Ｓ１０８）。各圧力センサのスペクトル密度の時間履歴を比較して、各センサ間の圧力波の到達した時間の差（実到達時間差）を算出する（Ｓ１１２）。一方、ノック発生位置を仮定し、この仮定された位置と各センサ位置の間の圧力波の伝播時間から、各センサ間の圧力波の到達する時間の差（仮想到達時間差）を算出する。仮定したノック発生位置を変化させて、実到達時間差と仮想到達時間差の差を最も小さくする位置をノック発生位置とする（Ｓ１１４，Ｓ１１６）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の少なくとも３箇所の測定点において、圧力を測定する圧力測定手段と、
測定された圧力に基づき、測定点間のノックの圧力波が到達した時間の差を算出する到達時間差算出手段と、
算出された到達時間差に基づき、ノック発生位置を算出する発生位置算出手段と、
を有し、
前記到達時間差算出手段は、
各測定点ごとに測定された圧力の所定周波数帯域のスペクトル密度を算出する手段と、
算出された所定周波数帯域のスペクトル密度の時間履歴を算出する手段と、
スペクトル密度の時間履歴を比較して、２測定点間の、ノック圧力波が到達した時間の差である実到達時間差を、一つの測定点を基準として他の各測定点について算出する手段と、
を有する、火花点火内燃機関のノック発生位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のノック発生位置検出装置であって、
前記発生位置算出手段は、
ノック発生位置を仮定し、仮定されたノック発生位置と各測定点との距離の、各測定点間の差を算出する手段と、
前記各測定点間の距離の差と圧力波の伝播速度から、各測定点間の圧力波の到達時間差である仮想到達時間差を算出する手段と、
仮想到達時間差と実到達時間差の差である到達時間差誤差を各測定点について算出する手段と、
前記仮定されたノック発生位置を変化させて、各測定点における到達時間差誤差の２乗の総和を算出し、これが最も小さくなるノック発生位置を、実際にノックが発生した位置とする手段と、
を有する、ノック発生位置検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載のノック発生位置検出装置であって、
圧力測定点を４箇所とし、
前記発生位置算出手段は、
ノック発生位置を仮定し、仮定されたノック発生位置と各測定点との距離の、各測定点間の差を算出する手段と、
前記各測定点間の距離の差と圧力波の伝播速度から、各測定点間の圧力波の到達時間差である仮想到達時間差を算出する手段と、
仮想到達時間差と実到達時間差の差である到達時間差誤差を各測定点について算出する手段と、
前記仮定されたノック発生位置と、圧力波の伝播速度を変化させて、各測定点における到達時間差誤差の２乗の総和を算出し、これが最も小さくなるノック発生位置と圧力波の伝播速度を、実際にノックが発生した位置およびその時の圧力波の伝播時間とする手段と、
を有する、ノック発生位置検出装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のノック発生位置検出装置であって、
仮定されたノック発生位置を変化させて得た、到達時間差誤差の２乗の総和の平方根の分布を提供する手段、
を有する、ノック発生位置検出装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のノック発生位置検出装置であって、
測定された圧力の所定周波数以上の信号の最大振幅に基づき、ノックの発生の有無を判断するノック発生判断手段と、
所定数以上の測定点において、ノックの発生が判断された場合に、ノック発生位置の算出を行う、
ノック発生位置検出装置。
【請求項６】
燃焼室の少なくとも３箇所の測定点において取得した圧力信号を取得し、
各測定点ごとに測定された圧力の所定周波数帯域のスペクトル密度を算出し、
算出された所定周波数帯域のスペクトル密度の時間履歴を算出し、
スペクトル密度の時間履歴を比較して、２測定点間のノック圧力波が到達した時間の差である実到達時間差を、一つの測定点を基準として他の各測定点について算出し、
ノック発生位置を仮定し、仮定されたノック発生位置と各測定点との距離の、各測定点間の差を算出し、
前記各測定点間の距離の差と圧力波の伝播速度から、各測定点間の圧力波の到達する時間の差である仮想到達時間差を算出し、
実到達時間差と、仮想送達時間差の差である到達時間差誤差を各測定点について算出し、
前記仮定されたノック発生位置を変化させて、各測定点における到達時間差誤差の２乗の総和を算出し、これが最も小さくなるノック発生位置を、実際にノックが発生した位置とする、
火花点火内燃機関のノック発生位置検出方法。
【請求項７】
燃焼室の少なくとも３箇所の測定点において取得された圧力信号を取得する手順と、
各測定点ごとに測定された圧力の所定周波数帯域のスペクトル密度を算出する手順と、
算出された所定周波数帯域のスペクトル密度の時間履歴を算出する手順と、
スペクトル密度の時間履歴を比較して、２測定点間のノック圧力波が到達した時間の差である実到達時間差を、一つの測定点を基準として他の各測定点について算出する手順と、
ノック発生位置を仮定し、仮定されたノック発生位置と各測定点との距離の、各測定点間の差を算出する手順と、
前記各測定点間の距離の差と圧力波の伝播速度から、各測定点間の圧力波の到達する時間の差である仮想到達時間差を算出する手順と、
実到達時間差と、仮想送達時間差の差である到達時間差誤差を各測定点について算出する手順と、
前記仮定されたノック発生位置を変化させて、各測定点における到達時間差誤差の２乗の総和を算出し、これが最も小さくなるノック発生位置を、実際にノックが発生した位置とする手順と、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火内燃機関の燃焼解析技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火内燃機関は運転条件によって、点火栓による火花を核とした燃焼ではなく、加熱、圧縮によって燃料が自着火（ノック）を起こして燃焼する場合がある。この自着火による燃焼が過大になると、異常燃焼となり、騒音の発生、機関の損傷を招くことになる。燃焼室の形状によってノックの発生源となりやすい位置があると考えられており、ノックがどのような条件で、どこで発生するかを検知することが求められている。
【０００３】
下記、非特許文献１には、点火栓、ガスケットに多数の光ファイバを埋め込み、ノックの発生に伴う燃焼室内の発光を光学的にとらえている。また、非特許文献２においては、シリンダヘッド、ガスケットに複数の圧力センサを埋め込み、その圧力センサの信号をハイパスフィルタを通した後に、それらの信号の相互相関を取り、各センサへの圧力波の到達時間差を算出している。
【０００４】
【非特許文献１】エイチ  フィリップ(H.Philipp)他著、「直噴ガソリンエンジンのノック発生位置測定(Localization of Knock Events in Direct Injection Gasoline Engines」、全米自動車技術者協会レポート(SAE Paper)、２００１年３月５−８日、２００１−０１−１１９９
【非特許文献２】エム  キャスタング(M.Castsngne)他著、「ノック発生位置検出のための多センサヘッドガスケットの開発(Development of a Muti-Sensors Head Gasket for Knock Localization )」、全米自動車技術者協会レポート(SAE Paper)、２００３年３月３−６日、２００３−０１−１１１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載の技術は、点火栓やガスケットに多数の光ファイバーを挿入したものであり、非常に高価な製品となる。また、光ファイバの燃焼室に面する受光面にすすなどが付着し、長期間の使用には耐えられない。さらに、発光とノックの関係は必ずしも一致しないという問題もある。
【０００６】
非特許文献２に記載の技術は、燃焼室壁面で、ノックによる圧力波が反射するため、ハイパスフィルタを通したのみの圧力センサからの信号は、非常に複雑に変化し、そのために精度の高い時間差を検出することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、安価に、高精度でノック発生位置を検出する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の火花点火内燃機関のノック発生位置検出装置は、燃焼室の少なくとも３箇所の測定点において、圧力を測定する圧力測定手段と、測定された圧力に基づき、測定点間のノックの圧力波が到達した時間差を算出する到達時間差算出手段と、算出された到達時間差に基づき、ノック発生位置を算出する発生位置算出手段と、を有している。
【０００９】
前記到達時間差算出手段は、各測定点ごとに測定された圧力の所定周波数帯域のスペクトル密度を算出する手段と、算出された所定周波数帯域のスペクトル密度の時間履歴を算出する手段と、スペクトル密度の時間履歴を比較して、２測定点間のノック圧力波が到達した時間差を、各測定点について算出する手段と、を有するものとできる。
【００１０】
所定帯域のスペクトル密度の時間履歴、すなわち所定帯域のスペクトル密度が時間の経過と共にどのように変化しているかに着目することで、ノックの圧力波の到達を精度良く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】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１には、本実施形態のノック発生位置検出装置１０の構成の概要が示されている。シリンダ１２により画定される燃焼室１４内に、５個の圧力センサ１６-1，１６-2，１６-3，１６-4，１６-5が配置されている。各圧力センサについて、個々のセンサを特定する必要がない場合には、単に符号「１６」を付して以下説明する。圧力センサ１６は、燃焼室１４内に、なるべく均等に、また、３つのセンサ１６が同一直線上に配置されないようにすることが好ましい。また、圧力センサ１６の個数は、シリンダ軸線に直交する平面内、すなわち図１の紙面内での位置を特定するのであれば、圧力波の伝播速度に固定値を用いる場合は少なくとも３個、後述するように伝播速度を変数として扱うのであれば、少なくとも４個が必要となる。
【００１２】
圧力センサ１６が出力した信号は、センサ出力増幅器１８で増幅されて演算処理装置２０に送られる。演算処理装置２０は、所定のプログラムで動作するコンピュータとすることができるが、後述する個々の機能を有する単独の装置を組み合わせた装置とすることも可能である。
【００１３】
図２は、演算処理装置２０の処理の流れを示す図である。処理の流れは、大きく分けて３つの処理から構成される。個々の処理の詳細については後述する。まず、ステップＳ１００〜Ｓ１０４により、解析対象となるサイクルを特定する処理が行われる。ノックが発生しなかったサイクルに対して、解析を行っても意味がないので、ノックが発生したサイクルを抽出する処理である。
【００１４】
次に、ステップＳ１０６〜Ｓ１１２に従い、検出された圧力から、各圧力センサ１６に圧力波が到達した時間の差（実到達時間差）が算出される。ノックが発生した位置から各圧力センサ１６までの距離に応じて、圧力波の到達時間が異なる。例えば、圧力センサ１６-1，１６-2に圧力波が到達した時間がそれぞれｔ1 ，ｔ2 であると、その時間差Δτ12（＝ｔ2 −ｔ1 ）を到達時間差とし、これを各圧力センサ間で算出する。
【００１５】
一方、ステップＳ１１４〜Ｓ１１８に従い、ノックの発生位置を仮定し、この位置から各圧力センサ１６に圧力波が到達する時間を、仮定されたノック発生位置（仮想ノック発生位置）と圧力波の伝播速度から算出することができる。この到達時間から、各圧力センサ間について到達時間差を算出する。この到達時間差は、先の実際に計測された圧力に基づく時間差を実到達時間差とするならば、仮想到達時間差と呼ぶべきものである。この仮想到達時間差と実到達時間差の差が、全体として最も小さくなる仮想ノック発生位置が、現実にノックが発生した位置（実ノック発生位置）であると考えられる。このような仮想ノック発生位置は、最小二乗法により算出することができる。
【００１６】
以下、各処理について、詳細に説明する。まず、到達時間差を算出する処理について説明する。図３には、圧力センサ１６の出力信号の一例が示されている。図４は、各圧力センサの出力信号を示す図である。５個の圧力センサ１６-1〜１６-5が出力信号Ｇ1 〜Ｇ5 に対応する。
【００１７】
圧力センサの出力信号に関し、ノック発生前のある時刻ｔ0 を終点とした所定時間幅Δｔに取得された信号についてＦＦＴ処理（フーリエ変換処理）を行う（Ｓ１０６）。本実施形態では、図３の時刻０μ秒以前の８００μ秒間の信号に基づきＦＦＴ処理を行う。次に、終点時刻を所定時間遅らせ、その時刻から所定時間幅Δｔ以前時刻の間の信号に基づきＦＦＴ処理を行う。本実施形態では、終点時間を０．１μ秒遅らせている。これを、終点時刻がノックによる圧力波の到達が確認できる時刻となるまで繰り返す。
【００１８】
この結果が、図５に示されている。図５は横軸が周波数、縦軸が時間を示し、ある時刻におけるある周波数のスペクトル密度が等高線状に表示されている。周波数７ｋＨｚ、時刻４００μ秒付近が等高線の最高点であり、ここから離れるに従って低くなっている。つまり、時刻４００μ秒付近で、７ｋＨｚ付近の周波数成分を含む波が到達したことがおおよそ分かる。
【００１９】
次に、燃焼室内の複数の共振周波数を含む周波数帯域を選択し、この帯域のスペクトル密度の時間履歴を算出する（Ｓ１０８）。本実施形態では、この周波数帯域を５−１５ｋＨｚとしている。図６にある時刻のスペクトル密度の一例が示されている。この図は、図５の横軸に平行な断面を表すものである。図６の範囲Ｈのスペクトル密度（斜線部の面積に相当）を各時刻において算出し、その時間変化（時間履歴）を表したのが図７である。図７の曲線Ａ1 〜Ａ5 が各圧力センサ１６-1〜１６-5の所定周波数帯域のスペクトル密度の時間履歴を示す。図７によればセンサ１６-1（曲線Ａ1 ）においては、グラフが立ち上がる付近、すなわち２００μ秒を過ぎた当たりで、ノックの圧力波が到達したことが推定される。しかし、この時刻（２００μ秒）そのものには意味がない。つまり、この時刻の基準は、ノック発生前の任意の時刻ｔ0 を基準とした時間であるので、基準の時刻ｔ0 の取り方で変わってしまうものである。そこで、各圧力センサ１６の位置に圧力波が到達した時間の差（実到達時間差）を算出する。
【００２０】
この到達時間差は、次のように求める。圧力センサ１６-1，１６-2の二つのセンサの到達時間差を求める場合、図７の曲線Ａ1 ，Ａ2 の相互相関を求める。まず、図７に示される通りの曲線Ａ1 ，Ａ2 の相互相関を求め、次に曲線Ａ1 を所定時間遅らせた（右に平行移動した）曲線と、曲線Ａ2 の相互相関を求める。順次、曲線Ａ1 を平行移動させて、相互相関を求め、その時々の相互相関係数を表したのが、図８の曲線Ａ12である。曲線Ａ1 をずらした時間が横軸、縦軸が相互相関係数になっている（Ｓ１１０）。進行する圧力波を異なる場所（つまり異なる時刻）で観測したのであれば、観測された二つの圧力波の形状は、類似すると考えられる。つまり、相互相関係数を最も高くする曲線Ａ1 の移動量が、圧力センサ１６-1，１６-2間の圧力波の到達時間の差Δτ12（以下、到達時間差Δτ12と記す。）に相当する（Ｓ１１２）。同様に曲線Ａ1 に対する他の曲線Ａ3 〜Ａ5 の相互相関を求め、それぞれの相互相関係数を最大にする時間差を到達時間差Δτ13，Δτ14，Δτ15とする。圧力センサ１６-1を基準とした他のセンサ１６-j (j=2,3,4,5)の到達時間差をΔτ1j (j=2,3,4,5)で表し、以下、これを実到達時間差と記す。
【００２１】
図４に示すように各圧力センサ１６でとらえた圧力信号Ｇ1 〜Ｇ5 は振幅を持った波形であり、どの時点で圧力波が到達したかを判断することは難しい。図７に示すように、スペクトル密度の時間に対する変化として表すことで、ほぼ単調に増加する波形として表すことができ、到達時間差の定量化を高精度で行える。
【００２２】
次に、ノック発生位置の特定するための演算処理について説明する。まず、ノック発生位置Ｐk(ｘ，ｙ) と、圧力波の伝搬速度Ｃを仮定する。この仮定されたノック発生位置を仮想ノック発生位置と記す。基準とする圧力センサ１６-1と仮想ノック発生位置の距離と、他の圧力センサ１６-2〜１６-5と仮想ノック発生位置との距離の差ΔＬ1j (j=2,3,4,5)を算出する。基準とする圧力センサを圧力センサ１６-1としたのは、前述の到達時間差Δτ12〜Δτ15を求めるときに基準としたセンサと同じとしたものである。
【００２３】
各圧力センサと仮想ノック発生位置との距離の差ΔＬ1jを伝播速度Ｃで除して、仮想到達時間差ΔＬ1j／Ｃを算出する。この仮想到達時間差ΔＬ1j／Ｃと実到達時間差Δτ1j との差（誤差）をＳ1jとする。そして、二乗誤差Ｓ1j2 の総和ΣＳ1j2 を算出する（Ｓ１１４）。この二乗誤差の総和ΣＳ1j2 を仮想ノック発生位置および圧力波の伝播速度Ｃを変えて、それぞれ算出し、この総和が最も小さくなる仮想ノック発生位置を見つけ出す。この位置を実際にノックが発生した位置とする（Ｓ１１６）。
【００２４】
また、仮定したノック発生位置Ｐk のそれぞれに対して、その仮想ノック発生位置に基づき算出された二乗誤差の平方根をとった値√（ΣＳ1j2 ）をプロットすることで、誤差の分布が分かる（Ｓ１１８）。この分布の一例を図９に示す。誤差の大きさが等高線状に示されている。圧力センサ１６-1の周囲が誤差が小さい領域で、その中に、もっとも誤差が小さくなる位置、すなわちノック発生位置Ｐn が示されている。本実施形態のノック発生位置検出装置１０は、図９に示す誤差分布を画面に表示したり、印刷して出力したり、さらには電子データとして提供することができる。このように、誤差分布を示すことにより、ノックが発生しやすい領域を視覚的に示すことができる。
【００２５】
以上の演算は、ノックが発生したサイクルにおいて実行すればよく、またノックの発生していないサイクルについて実行しても、演算の負担が増えるだけで、その結果には意味がない。内燃機関の運転中にノックが観測される場合であっても、必ずしも全てのサイクルでノックが発生している訳ではない。本実施形態においては、前述したように、ステップＳ１００〜Ｓ１０４にて、解析対象となるサイクルを特定し、このサイクルに対してノック発生位置を算出する。解析対象となるサイクルの特定に関し、以下説明する。
【００２６】
解析対象のサイクルは、ノックの発生に伴って圧力信号に表れる特徴的な周波数成分に基づき行われる。この特徴的な周波数成分の信号の振幅が所定のしきい値以上となったとき、ノックが発生していると判断する。このしきい値は、あらかじめノックの発生しない条件で内燃機関を運転し、その時の圧力センサ１６の出力信号を取得する。この出力信号を所定のカットオフ周波数のハイパスフィルタに通す。このカットオフ周波数は、ノックに特徴的な周波数の信号を抽出するための周波数であり、本実施形態では５ｋＨｚである。各サイクルにおいて、ハイパスフィルタを通った信号の最大振幅値を取得し、その平均値ｍi と標準偏差σi を算出する。ノック発生の判定のためのしきい値ｒi を、
ｒi ＝ｍi ＋ｑ・σi
と定める。ｑは、適宜に決定できる係数であり、例えばｑ＝２．５とすれば、ノックが発生していなければ９７％のサイクルがこの範囲に収まる。
【００２７】
ノック発生位置検出を行う場合、ノックの発生する条件で内燃機関を運転し、数サイクルまたはそれ以上のサイクルにわたって、圧力センサ１６からの信号を取得する（Ｓ１００）。その信号を、しきい値ｒi を定めたときに用いたものと同じハイパスフィルタに通し、さらにその信号の最大振幅値を各サイクルごとに算出する。この最大振幅値をしきい値ｒi で割り、その値をノックレベルとする（Ｓ１０２）。ノックレベルが１以上となったセンサが４個以上のサイクルを解析対象のサイクルに定める（Ｓ１０４）。この解析対象とされたサイクルに対し、ステップＳ１０８以降の処理を行って、ノック発生位置の検出を行う。
【００２８】
図１０に、一例として、圧力センサ１６-1〜１６-5で取得された信号に基づくノックレベルをサイクルごとに示した。４個以上の圧力センサの信号のノックレベルが１以上となったのは５番と６番のサイクルである。ノックレベルが１以上となるセンサが４個に達しないときには、ノック発生位置の算出は行わない。なお、対象となるサイクルを特定するにあたって、ノックレベルが１以上のセンサの個数を「４個以上」としたのは、前述のように、圧力波の伝播速度を未知数としたときに必要なセンサ（測定点）の数が４個であるためである。伝播速度を定数として取り扱うのであれば、「３個以上」とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態に係るノック発生位置検出装置の構成の概略を示す図である。
【図２】演算処理の流れを示す図である。
【図３】一つの圧力センサにより取得された信号の波形を示す図である。
【図４】５個の圧力センサにより取得された信号波形を併記した図である。
【図５】一つの圧力センサの信号のスペクトルの時間履歴を示す図である。
【図６】一つの圧力センサの、ある時刻におけるスペクトルを示す図である。
【図７】５個の圧力センサの信号のスペクトル密度の時間履歴を示す図である。
【図８】一つの圧力センサと、他の各圧力センサとの到達時間差の算出に関する説明図である。
【図９】実到達時間差と仮想到達時間差の差（誤差）の分布を示す図である。
【図１０】サイクルごとの、各圧力センサにより検出された信号のノックレベルを示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  ノック発生位置検出装置、１４  燃焼室、１６  圧力センサ、２０  演算処理装置、Ａ1 〜Ａ5   スペクトル密度の時間履歴、Ａ12 〜Ａ15   相互相関係数、Δτ1j(j=2,3,4,5)   実到達時間差、ΔＬ1j／Ｃ(j=2,3,4,5)   仮想到達時間差。
【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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