(57)【要約】【課題】センサ出力信号にノイズが重畳する場合においても、ノッキングの発生の有無の判定を精度高く行うことのできる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】図４に示すルーチンでは、先ず、振動強度が計測される（ステップＳ１）。続いて、ステップＳ１で算出した頻度分布を構成する２つの頻度分布のパラメータが推定される。続いて、ノックレベルが判定される（ステップＳ３）。ステップＳ３では、具体的に、ステップＳ２で推定したパラメータのうちのノッキング由来の振動強度の混在率ω２をノックレベルとして、閾値との比較が行われる。混在率ω２が閾値以上の場合、ノッキングが発生していると判断される。混在率ω２が閾値未満の場合、ノッキングが発生していないと判断される。【選択図】図４
2017044157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の振動強度を検出する検出手段と、
前記振動強度を用いて燃焼サイクル毎に振動強度の頻度分布を算出する算出手段と、
前記頻度分布を用いて算出されたノックレベルと閾値との比較に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定する判定手段と、を備える内燃機関の制御装置において、
前記頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定する推定手段を更に備え、
前記判定手段は、ノイズ由来の振動強度の頻度分布を特定する前記パラメータを少なくとも用いて、前記ノックレベルを設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、ノックセンサの出力信号から算出した振動強度の分布（以下、「振動強度分布」と称す）に基づいて、ノッキングの有無を判定するためのノック判定値を変更する内燃機関の制御装置が開示されている。この装置では、ノック判定値よりも大きな振動強度が連続する燃焼サイクルに亘って算出された場合に、その算出回数に応じて当該ノック判定値を変更する手法が切り替えられている。具体的に、ノック判定値よりも大きな振動強度が算出された燃焼サイクルの連続回数が所定回数以上の場合は、ノックセンサの出力信号にノイズが重畳した結果として振動強度が上昇したと判断し、ノック判定値よりも大きな振動強度のデータを含めた振動強度分布に基づいて、当該ノック判定値が変更される。一方、そうでない場合、ノックによる振動強度の上昇と判断し、ノック判定値よりも大きな振動強度のデータを除外した振動強度分布に基づいて、当該ノック判定値が変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０７７９６８号公報
【特許文献２】特開昭６２−３４０２８号公報
【特許文献３】特開２００５−０９８１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１では振動強度分布が正規分布に近似できるとして、この正規分布の中央値と、当該中央値よりも振動強度が小さい領域の標準偏差とを用いて、上記ノック判定値を変更している。しかし、ノックセンサの出力信号にノイズが重畳すれば、ノイズ由来の振動強度を含んだ振動強度分布が正規分布とは異なる形状となることが予測される。ノック判定値よりも大きな振動強度のデータが多くなれば、ノックセンサの出力信号にノイズが重畳していない場合に比べて上述した中央値が大きな値となり、標準偏差も大きな値となることが予測される。従って、上述した燃焼サイクルの連続回数が所定回数以上の場合に、ノイズ由来の振動強度を含んだ振動強度分布に基づいてノック判定値を変更すると、当該ノック判定値の変更後のノッキングの発生の有無の判定を誤る可能性が高い。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものである。即ち、センサ出力信号にノイズが重畳する場合においても、ノッキングの発生の有無の判定を精度高く行うことのできる内燃機関の制御装置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】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、検出手段と、算出手段と、判定手段とを備えている。検出手段は、内燃機関の振動強度を検出する。算出手段は、前記振動強度を用いて燃焼サイクル毎に振動強度の頻度分布を算出する。判定手段は、前記頻度分布を用いて算出されたノックレベルと閾値との比較に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定する。本発明に係る内燃機関の制御装置は更に、推定手段を備えている。推定手段は、前記頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定する。そして、前記判定手段は、ノイズ由来の振動強度の頻度分布を特定する前記パラメータを少なくとも用いて、前記ノックレベルを設定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃焼サイクル毎に算出される振動強度の頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定できる。両者の頻度分布を特定することで、燃焼サイクル毎に算出される振動強度の頻度分布を、ノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布とに切り分けることができる。その上で、本発明によれば、ノイズ由来の振動強度の頻度分布を特定するパラメータを少なくとも用いて、ノッキングの発生の有無を判定に使用するノックレベルを設定できる。よって、センサ出力信号にノイズが重畳する場合においても、ノッキングの発生の有無の判定を精度高く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】振動強度の頻度分布の一例を示した図である。
【図２】振動強度の頻度分布の一例を示した図である。
【図３】混合分布を構成するノイズ由来の振動強度の頻度分布と、ノッキング由来の振動強度の頻度分布とを説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態において、ＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の変形例に係る混在率ω２の算出手法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図１乃至図５を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
先ず、本実施の形態に係るシステムについて説明する。本実施の形態に係るシステムは、車両の駆動源として搭載されるエンジン（例えば直列４気筒エンジン）を備えている。このエンジンのシリンダヘッドには、火花放電によって筒内の混合気に点火するための点火プラグ（点火栓）が取り付けられている。また、このエンジンのシリンダブロックには、当該シリンダブロックの振動を検出するノックセンサと、当該エンジンのクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサが取り付けられている。なお、エンジンの他の構成は、公知の火花点火式エンジンと基本的に同じである。
【００１１】
また、本実施の形態に係るシステムは、エンジンを制御する制御装置として、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えている。ＥＣＵは、ノックセンサやクランク角センサからセンサ信号を取り込み、燃焼サイクル毎の振動強度の頻度分布をオンラインで算出するように構成されている。具体的に、ＥＣＵは先ず、ノックセンサの出力信号から特定周波数帯での振動強度を抽出する。続いて、ＥＣＵは、抽出した振動強度を複数の格子点を有する学習マップの格子点とし、重み付け関数により設定された各格子点の重みに基づいて、学習が有効な全ての格子点の学習値を更新する。続いて、ＥＣＵは、更新後の各格子点の学習値を頻度とすることで、振動強度の頻度分布を算出する。なお、重み付け関数を用いた学習マップの格子点の更新手法については、国際公開第２０１４／００２１８９号にその詳細が開示されている。
【００１２】
また、ＥＣＵは、算出した頻度分布に基づいて点火時期を制御するように構成されている。具体的に、ＥＣＵは、今回の燃焼サイクルで算出した振動強度の頻度分布に基づいて算出されたノックレベルが閾値以上の場合、ノッキングが発生していると判断し、次回の燃焼サイクルでの点火時期を遅角補正する。一方、ＥＣＵは、当該ノックレベルが閾値未満の場合、ノッキングが発生していないと判断し、次回の燃焼サイクルでの点火時期を進角補正する。このような点火時期制御を行うことで、ノックレベルの許容範囲内で点火時期を進角させてエンジンの出力や燃費を向上している。
【００１３】
次に、本実施の形態の特徴について説明する。図１乃至図２は、振動強度の頻度分布の一例を示した図である。図１に示す頻度分布は、上述した閾値以上の振動強度の頻度がゼロよりも大きい場合、つまり、ノッキングが発生していると判断され得る場合の振動強度の頻度分布に相当している。図２に示す頻度分布は、上述した閾値以上となる振動強度の頻度がゼロに等しい場合、つまり、ノッキングが発生していない場合の振動強度の頻度分布に相当している。図２の頻度分布で表される振動強度の殆どは、ノックセンサの出力信号に重畳するノイズに由来するものである。これを考慮して図１と図２を比較すると、図１に示す頻度分布は、図２で説明したノイズ由来の振動強度の頻度分布に、ノッキング由来の振動強度の頻度分布が重なった混合分布として表されることが分かる。
【００１４】
このような前提に基づき、本実施の形態では、混合分布を構成する２つの頻度分布、つまり、ノイズ由来の振動強度の頻度分布と、ノッキング由来の振動強度の頻度分布とをオンラインで同定する。図３は、混合分布を構成するノイズ由来の振動強度の頻度分布と、ノッキング由来の振動強度の頻度分布とを説明するための図である。図３に「ノック分」として示す頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布に相当し、「ノイズ分」として示す頻度分布がノイズ由来の振動強度の頻度分布に相当する。図３に示すように、ノッキング由来の振動強度の頻度分布は、ノイズ由来の振動強度の頻度分布よりも振動強度の強い領域を含む裾野の広い分布とされている。
【００１５】
２つの頻度分布の同定は、具体的に、これらの頻度分布の何れもが正規分布に従うと仮定した場合に成立する下記式（１）のパラメータを求めることにより行われる。
Ｐ（ｘ）＝ω１φ１（ｘ）＋ω２φ２（ｘ）  ・・・（１）
式（１）において、ｘは振動強度であり、Ｐ（ｘ）は振動強度がｘのときの頻度である。ω１はノイズ由来の振動強度の混在率［％］であり、ω２はノッキング由来の振動強度の混在率［％］である（ω１＋ω２＝１００％）。φ１はノイズ由来の振動強度の頻度分布であり、φ２はノッキング由来の振動強度の頻度分布である（∫φｉｄｘ＝１（ｉは１または２））。
【００１６】
上記式（１）の各パラメータは、ＥＭアルゴリズムにより算出される。ＥＭアルゴリズムによれば、ｔ番目の振動強度のデータ計測時における上記式（１）の各パラメータを下記式（２）〜（４）によって推定できる。なお、ＥＭアルゴリズムについては、例えばMasa-aki Sato and Shin Ishii, “On-line EM Algorithm for the Normalized Gaussian Network”, Neural computation, February 2000, vol. 12, No.2, pages 407-432にその詳細が開示されている。
ωｋ（ｔ）＝<<１>>ｋ（ｔ）  ・・・（２）
μｋ（ｔ）＝<<ｘ>>ｋ（ｔ）／<<１>>ｋ（ｔ）  ・・・（３）
σｋ２（ｔ）＝<<ｘ２>>ｋ（ｔ）／<<１>>ｋ（ｔ）−｛μｋ（ｔ）｝２  ・・・（４）
式（２）乃至式（４）において、ｋは１または２である。式（３）においてｋ＝１の場合のμ１はノイズ由来の振動強度の頻度分布の平均値であり、ｋ＝２の場合のμ２はノッキング由来の振動強度の頻度分布の平均値である。式（４）においてｋ＝１の場合のσ１２はノイズ由来の振動強度の頻度分布の分散であり、ｋ＝２の場合のσ２２はノッキング由来の振動強度の頻度分布の分散である。
【００１７】
式（３）および式（４）の右辺第１項の分母<<ｆ（ｘ）>>ｋ（ｔ）は、下記式（５）〜（７）により定義される。
<<ｆ（ｘ）>>ｋ（ｔ）：＝<<ｆ（ｘ）>>ｋ（ｔ−１）＋η（ｔ）｛ｆ（（ｘ（ｔ））γｋ−<<ｆ（ｘ）>>ｋ（ｔ−１））  ・・・（５）
γｋ：＝｛ωｋφ（ｘｔ｜μｋ（ｔ−１），σｋ２（ｔ−１））｝／｛ω１φ（ｘｔ｜μ１（ｔ−１），σ１２（ｔ−１））＋ω２φ（ｘｔ｜μ２（ｔ−１），σ２２（ｔ−１））｝  ・・・（６）
φ（ｘｔ｜μｋ，σｋ２）：＝（１／√２πσｋ２）ｅｘｐ（−（ｘｔ−μｋ）２／２σ２  ・・・（７）
なお、式（５）においてη（ｔ）は正規化係数であり、本実施の形態ではη（ｔ）＝ｃ（定数：０＜ｃ＜１）に設定される。
【００１８】
また、本実施の形態では、２つの頻度分布を同定した後、上記式（１）のパラメータのうちのノッキング由来の振動強度の混在率ω２をノックレベルとして上述した閾値との比較を行い、点火時期を補正する。仮にノイズレベルが変わった場合、ノイズ由来の振動強度の頻度分布の平均値μ１や、ノイズ由来の振動強度の頻度分布の分散σ１２も変わることが予想される。ノックセンサの感度が経時的に変化した場合も同様である。この点、ノイズレベルが変わったとしても混在率ω１は変わらないので、混在率ω２（＝１００−ω１）をノックレベルとすることで、混在率ω２が高くなるほどノッキングの発生確率が高いと予測できる。よって、本実施の形態によれば、ノイズレベル変化とノックセンサの感度変化の両方に対応した点火時期補正が可能となる。
【００１９】
図４は、本発明の実施の形態において、上述した機能を実現するためにＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、エンジンの気筒の燃焼サイクル毎に繰り返し実行されるものとする。
【００２０】
図４に示すルーチンにおいて、ＥＣＵは先ず、振動強度の頻度分布を算出する（ステップＳ１）。具体的に、ＥＣＵは、ノックセンサとクランクセンサのセンサ信号に基づいて、特定周波数帯での振動強度を抽出し、振動強度の頻度分布を算出する。続いて、ＥＣＵは、ステップＳ１で算出した頻度分布を構成する２つの頻度分布のパラメータを推定する（ステップＳ２）。パラメータの推定手法については既に説明した通りである。続いて、ＥＣＵは、ノックレベルを判定する。具体的に、ＥＣＵは、ステップＳ２で推定したパラメータのうちの混在率ω２をノックレベルとして設定し、上述した閾値との比較を行う（ステップＳ３）。そして、混在率ω２が閾値以上の場合、ＥＣＵはノッキングが発生していると判断する。一方、混在率ω２が閾値未満の場合、ＥＣＵはノッキングが発生していないと判断する。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、ノッキングの発生の有無を精度高く判定できる。そのため、ノックセンサの出力信号にノイズが重畳するような場合であっても、点火時期を適宜補正し、ノックレベルの許容範囲内で点火時期を進角させてエンジンの出力や燃費を向上できる。
【００２２】
なお、上記実施の形態においては、ノックセンサが本発明の「検出手段」に相当している。また、ＥＣＵが図４のステップＳ１の処理を実行することにより本発明の「算出手段」が、ＥＣＵが同ステップＳ３の処理を実行することにより本発明の「判定手段」が、同ステップＳ２の処理を実行することにより本発明の「推定手段」が、それぞれ実現されている。
【００２３】
ところで、上記実施の形態においては、混合分布を構成する２つの頻度分布が正規分布に従うと仮定して、ＥＭアルゴリズムにより式（１）のパラメータである混在率ω２を算出した。しかしながら、本発明においては、この混在率ω２の算出手法に関して、以下に説明する各種変形が可能である。
（ａ）ノイズ由来の振動強度の頻度分布が正規分布に従うと仮定して、混合分布の面積比から混在率ω２を算出してもよい。図５は、本発明の実施の形態の変形例に係る混在率ω２の算出手法を説明するための図である。図５に示すように、ノイズ由来の振動強度の頻度分布が正規分布に従うと仮定すると、その頻度分布の形状は最頻出値を通る直線Ｌに対して線対称となるはずである。従って、直線Ｌよりも左側の領域の面積ωｌ、直線Ｌよりも右側の領域の面積ωｒについて成立する下記式（８），（９）に、最頻出値、面積ωｌおよび面積ωｒを代入することで、混在率ω２を求めてもよい。
ω１＝２ωｌ  ・・・（８）
ω２＝ωｒ−ωｌ  ・・・（９）
（ｂ）混合分布を構成する２つの頻度分布が正規分布に従うと仮定したが、これらの頻度分布が対数正規分布、アーラン分布、ガンマ分布に従うと仮定してもよい。
【００２４】
また、上記実施の形態においては、混在率ω２をノックレベルとして、上述した閾値との比較を行った。しかしながら、本発明においては、混在率ω２の他に以下のパラメータをノックレベルとすることもできる。
（ａ）ノッキング由来の振動強度の頻度分布の平均値μ２
平均値μ２が高くなるほどノッキングの発生確率が高いと予測できる。平均値μ２を用いた場合には、ノイズレベル変化に対応した点火時期補正が可能となる。
（ｂ）ノッキング由来の振動強度の頻度分布の分散σ２２
分散σ２２が高くなるほどノッキングの発生確率が高いと予測できる。平均値μ２を用いた場合同様、分散σ２２を用いた場合は、ノイズレベル変化に対応した点火時期補正が可能となる。
（ｃ）ノイズ由来の振動強度の頻度分布の平均値μ１とノッキング由来の振動強度の頻度分布の平均値μ２の比μ２／μ１
比μ２／μ１が高くなるほどノッキングの発生確率が高いと予測できる。比μ２／μ１を用いた場合は、ノックセンサの感度変化に対応した点火時期補正が可能となる。
（ｄ）ノイズ由来の振動強度の頻度分布の分散σ１２とノッキング由来の振動強度の頻度分布の分散σ２２の比σ２２／σ１２
比σ２２／σ１２が高くなるほどノッキングの発生確率が高いと予測できる。比μ２／μ１を用いた場合は、ノックセンサの感度変化に対応した点火時期補正が可能となる。
【００２５】
また、上記実施の形態においては、ノックセンサのセンサ信号に基づいて振動強度の頻度分布を算出した。しかしながら、シリンダヘッドに取り付けた筒内圧センサに基づいて振動強度の頻度分布を算出してもよい。ただしこの場合は、筒内圧センサのセンサ信号の波形をＥＣＵで解析した上で振動強度の頻度分布を算出することが望ましい。
【図１】
2017044157.tif 000003
【図２】
2017044157.tif 000004
【図３】
2017044157.tif 000005
【図４】
2017044157.tif 000006
【図５】
2017044157.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成28年2月1日(2016.2.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
内燃機関の振動強度を検出する検出手段と、
前記振動強度を用いて燃焼サイクル毎に振動強度の頻度分布を算出する算出手段と、
前記頻度分布を用いて算出されたノックレベルと閾値との比較に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定する判定手段と、を備える内燃機関の制御装置において、
前記頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定する推定手段を更に備え、
前記判定手段は、ノッキング由来の振動強度の頻度分布を特定する前記パラメータを少なくとも用いて、前記ノックレベルを設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、検出手段と、算出手段と、判定手段とを備えている。検出手段は、内燃機関の振動強度を検出する。算出手段は、前記振動強度を用いて燃焼サイクル毎に振動強度の頻度分布を算出する。判定手段は、前記頻度分布を用いて算出されたノックレベルと閾値との比較に基づいて、ノッキングの発生の有無を判定する。本発明に係る内燃機関の制御装置は更に、推定手段を備えている。推定手段は、前記頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定する。そして、前記判定手段は、ノッキング由来の振動強度の頻度分布を特定する前記パラメータを少なくとも用いて、前記ノックレベルを設定する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明によれば、燃焼サイクル毎に算出される振動強度の頻度分布がノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布との混合分布であると仮定して、両者の頻度分布を特定するパラメータを推定できる。両者の頻度分布を特定することで、燃焼サイクル毎に算出される振動強度の頻度分布を、ノッキング由来の振動強度の頻度分布と、ノイズ由来の振動強度の頻度分布とに切り分けることができる。その上で、本発明によれば、ノッキング由来の振動強度の頻度分布を特定するパラメータを少なくとも用いて、ノッキングの発生の有無を判定に使用するノックレベルを設定できる。よって、センサ出力信号にノイズが重畳する場合においても、ノッキングの発生の有無の判定を精度高く行うことができる。