(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（Ｅ）の筒内圧力を検出する圧力検出器（４）と、内燃機関（Ｅ）の正常燃焼時に前記圧力検出器（４）で検出した筒内圧力に関わる複数のパラメータに基づいて定めた基準空間を記憶する基準空間記憶手段（９）と、ノッキングを検出すべき状態で前記圧力検出器（４）で検出した筒内圧力に関わるパラメータの前記基準空間との間のマハラノビス距離を算出する距離算出手段（１０）と、該距離算出手段（１０）で算出した前記マハラノビス距離が予め設定した所定値を超えるときにノッキングが生じていると判定する判定手段（１１）とを備え、
前記筒内圧力に関わる複数のパラメータには、各クランク角毎の筒内圧力の差であるΔＰCA、ΔＰCAの最大値であるΔＰCAｍａｘ、ΔＰCAの最小値であるΔＰCAｍｉｎ、ΔＰCAの最大値および最小値の差であるΔＰCAｍａｘ−ΔＰCAｍｉｎ、ΔＰCAの二乗和であるΣ（ΔＰCA）2が含まれることを特徴とする内燃機関のノッキング検出装置。
【請求項２】
前記基準空間記憶手段（９）で記憶される基準空間は、クランク角が所定の範囲にある状態での前記パラメータに基づいて設定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のノッキング検出装置。
【請求項３】
前記複数のパラメータのうち有効性の判断結果に基づいて取捨選択された複数の前記パラメータが、前記基準空間記憶手段（９）で記憶される基準空間の設定にあたって用いられることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のノッキング検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のノッキング検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、たとえば特開平８−３１９８７９号公報には、内燃機関の振動を検出し、その検出結果に基づいて内燃機関のノッキングを検出する手法が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のものでは、内燃機関の振動を検出し、その検出値の包絡線と、内燃機関の既知の作動状態での振動検出値の包絡線である基準波形包絡線とを比較することで内燃機関の状態を判定するようにしているが、ノイズの影響が大きく、ノッキングの発生を正確に検出することは困難である。またノック状態であるか否かを判別する閾値を内燃機関の各機種毎に人間の目視判定により設定しなければならず、面倒であるだけでなく、個人差が生じるので不正確である。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、ノッキングの発生を客観的にかつ正確に検出することを可能とし、しかも新機種の内燃機関にも容易に適用可能としてセッティング工数を低減した内燃機関のノッキング検出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、内燃機関の筒内圧力を検出する圧力検出器と、内燃機関の正常燃焼時に前記圧力検出器で検出した筒内圧力に関わる複数のパラメータに基づいて定めた基準空間を記憶する基準空間記憶手段と、ノッキングを検出すべき状態で前記圧力検出器で検出した筒内圧力に関わるパラメータの前記基準空間との間のマハラノビス距離を算出する距離算出手段と、該距離算出手段で算出した前記マハラノビス距離が予め設定した所定値を超えるときにノッキングが生じていると判定する判定手段とを備え、前記筒内圧力に関わる複数のパラメータには、各クランク角毎の筒内圧力の差であるΔＰCA、ΔＰCAの最大値であるΔＰCAｍａｘ、ΔＰCAの最小値であるΔＰCAｍｉｎ、ΔＰCAの最大値および最小値の差であるΔＰCAｍａｘ−ΔＰCAｍｉｎ、ΔＰCAの二乗和であるΣ（ΔＰCA）2が含まれることを特徴とする。
【０００６】
このような構成によれば、ノッキングの度合いをその強度に応じた数値で表すことが可能であり、ノッキングを客観的にかつ正確に検出することができる。しかも判定の個人差を排除し、他機種の内燃機関のノッキング判定の基準を統一するようにしてセッティング工数を低減することが可能となる。しかもノッキング強度が１つの数値で決まるので、強度に応じて点火時期遅角量を変えることができる。
【０００７】
また請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に加えて、前記基準空間記憶手段で記憶される基準空間は、クランク角が所定の範囲にある状態での前記パラメータに基づいて設定されることを特徴とし、かかる構成によれば、ノッキングの特徴がよく表れるクランク角範囲でだけマハラノビス距離を算出するようにして効率的にノッキングを検出することができる。
【０００８】
さらに請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に加えて、前記複数のパラメータのうち有効性の判断結果に基づいて取捨選択された複数の前記パラメータが、前記基準空間記憶手段で記憶される基準空間の設定にあたって用いられることを特徴とし、かかる構成によれば、ノッキング検出にあたって有効なパラメータが取捨選択されることにより、無駄な演算・判定を手順をなくして効率的なノッキング検出が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。
【００１０】
図１〜図５は本発明の一実施例を示すものであり、図１は内燃機関の点火時期制御装置の構成を示す図、図２は基準空間設定のためのパラメータを説明するための筒内圧力の波形図、図３は１つのパラメータのデータ分布状態を示す図、図４は有効性の判断を説明するための図、図５は筒内圧力の波形毎のマハラノビス距離の相違を説明するための図である。
【００１１】
ここで、マハラノビス距離とは、複数のデータ同士の相関やばらつきを考慮して求めたデータ相互の距離を言うものであり、より詳しくは、１９９８年６月第６回品質工学研究発表大会の予稿集３８１頁〜３８９頁を参照されたい。
【００１２】
先ず図１において、内燃機関Ｅのシリンダヘッド１には、筒内圧力を検出する圧力検出器４が付設され、またクランクケース２にはクランクシャフト３のクランク角を検出するクランク角検出器５が付設されており、両検出器４，５の検出値はノッキング強度自動判定装置６に入力される。而してノッキング強度自動判定装置６は、圧力検出器４で検出される筒内圧力、ならびにクランク角検出器５で検出されるクランク角に基づいてノッキング強度を自動判定し、ノッキングが発生したと判定したときに、点火コイル８による点火時期を遅らせるように指示する信号がノッキング強度自動判定装置６から点火ユニット７に入力される。
【００１３】
ノッキング強度自動判定装置６は、内燃機関Ｅの正常燃焼時に圧力検出器４で検出した筒内圧力に関わる複数のパラメータに基づいて定めた基準空間を記憶する基準空間記憶手段９と、ノッキングを検出すべき状態で前記圧力検出器４で検出した筒内圧力に関わるパラメータの前記基準空間との間のマハラノビス距離を算出する距離算出手段１０と、該距離算出手段１０で算出した前記マハラノビス距離が予め設定した所定値以上であるときにノッキングが生じていると判定する判定手段１１とを備える。
【００１４】
基準空間記憶手段９で記憶する基準空間を設定するにあたっては、図２で示すような筒内圧力の波形の特徴をよく表すパラメータを選択することが重要であり、その際、パラメータの個数が少ない方が効率的な判定が可能となるのであるが、最初の設定にあたっては極力多くのパラメータを用いて基準空間を設定し、その後の有効性の判定の結果に応じてパラメータの個数を絞り込む方がよい。
【００１５】
そこで、本発明者は、最初の基準空間の設定にあたっては、ノッキングの特徴がよく表れるクランク角である３６５〜３７４°付近に注目し、先ず、その範囲（３６５〜３７４°）での各クランク角毎の筒内圧力の差ΔＰCAをパラメータとして選択するとともに、上述のクランク角範囲の前後にそれぞれ１０°の範囲を加えた３つの角度範囲（３５５〜３６４°，３６５〜３７４°，３７５〜３８４°）で、各クランク角毎の筒内圧力の差ΔＰCAを求め、その差ΔＰCAの最大値ΔＰCAｍａｘ、最小値ΔＰCAｍｉｎ、最大値および最小値の差（ΔＰCAｍａｘ−ΔＰCAｍｉｎ）、前記差ΔＰCAの二乗和Σ（ΔＰCA）2 をパラメータとして選択し、さらに上死点付近の圧力上昇の度合いを代表するパラメータとして、クランク角３５５〜３６５°間の差ΔＰTOP をパラメータとして用いるようにした。
【００１６】
すなわち本発明者は、最初の基準空間の設定にあたって、１０個の筒内圧力の差ΔＰCAと、３５５〜３６４°，３６５〜３７４°，３７５〜３８４°の３つのクランク角範囲毎のΔＰCA，ΔＰCAｍａｘ，ΔＰCAｍｉｎ，（ΔＰCAｍａｘ−ΔＰCAｍｉｎ），Σ（ΔＰCA）2 と、ΔＰTOP との合計２３個のパラメータを用いたことになる。
【００１７】
ところで基準空間は、ノッキングが生じていない燃焼状態にあると目視によって判断し得る内燃機関Ｅの筒内圧力の圧力検出器４による検出値に基づく前記各パラメータによって定められるのであるが、全てのデータを用いるのではなく、前記各パラメータの分布状態をそれぞれチェックし、図３で示すように、標準偏差をσとしたときに、±２σでカットして±２σ内のデータを用いるようにした。
【００１８】
このような分布のチェック完了後に基準空間を作成するのであるが、その基準空間の作成にあたっては、上述の各パラメータをＸ1 〜Ｘk （この実施例ではｋ＝２３）としたときに、各パラメータＸ1 〜Ｘk の平均値ｍ1 〜ｍk および標準偏差σ1 〜σk を求め、Ｘijをｉ番目のパラメータのｊ個目のデータ値とし、ｎをデータ数としたときに、次式により各データの基準化を行なう。
【００１９】
ｘij＝（Ｘij−ｍi ）／σi
（ｉ＝１，２…ｋ，ｊ＝１，２…ｎ）
このような基準化により、データ数列が
【００２０】
【数１】
0004116813.tif 000002
【００２１】
となる。
【００２２】
次に相関行列Ｒを求めるが、この相関行列Ｒは次の第（１）式で与えられる。
【００２３】
【数２】
0004116813.tif 000003
【００２４】
上記相関行列において、行列の要素ｒijは  ｉ番目およびｊ番目のパラメータの相関係数であり、次の第（２）式で与えられる。
【００２５】
ｒij＝（１／ｎ）×（ｘi1ｘj1＋ｘi2ｘj2＋・・・＋ｘinｘjn）…（２）
（ｉ＝１，２…ｋ，ｊ＝１，２…ｎ）
また上記相関行列Ｒの逆行列Ｒ-1は、次の第（３）式で与えられる。
【００２６】
【数３】
0004116813.tif 000004
【００２７】
距離算出手段１０は、上記第（３）式で定まる基準空間と、測定対象である圧力検出器４による検出値（ｙi ，ｙj ）とのマハラノビス距離Ｄ2 を、次の第（４）式に従って算出する。
【００２８】
【数４】
0004116813.tif 000005
【００２９】
ここで、Ｙi は圧力検出器４による検出値に基づく各パラメータの値ｙi を標準偏差σおよび平均値ｍで基準化した値であり、｛Ｙi ＝（ｙi −ｍ）／σ｝である。またＹj は圧力検出器４による検出値に基づく各パラメータの値ｙj を標準偏差σおよび平均値ｍで基準化した値であり、｛Ｙj ＝（ｙj −ｍ）／σ｝である。
【００３０】
このようなマハラノビス距離Ｄ2 による通常の判定では、Ｄ2 が４以下であるときに判定対象のデータが基準空間内のデータに近似したデータであると判定することが多く、判定手段１１は、距離算出手段１０で算出した前記マハラノビス距離Ｄ2 が予め設定した所定値である「４」を超えるときにノッキングが生じていると判定する。
【００３１】
ところで、マハラノビス距離Ｄ2 を用いた判定では、判定に用いたパラメータが有効であるか否かを判定することが可能であり、有効であるか否かを判定するパラメータを用いてマハラノビス距離Ｄ2 を計算したときを水準１とし、有効であるか否かを判定するパラメータを用いずにマハラノビス距離Ｄ2 を計算したときを水準２としたときに、ＮＯ．１〜ＮＯ．２３の各パラメータ毎に、図４で示すように、マハラノビス距離Ｄ2 が水準１，２間で異なることになる。而して水準１，２のマハラノビス距離Ｄ2 を結んだ直線が左上がりのものは有効、水平のものは効果なし、右下がりのものは逆効果を意味しており、そのような有効性の判断結果に基づいて取捨選択された複数のパラメータが基準空間記憶手段９で記憶され、距離算出手段１０での算出、ならびに判定手段１１での判定にあたっても、上述の有効性の判断結果に基づいて取捨選択されたパラメータが用いられる。
【００３２】
ここで、図５で示すＡ〜Ｉまでの９つの筒内圧力の波形毎に、上述のマハラノビス距離Ｄ2 によるノッキング判定を行なうと、マハラノビス距離Ｄ2 は、Ａでは０．４６、Ｂでは１．１６、Ｃでは０．２７，Ｄでは０．８４、Ｅでは６．２６、Ｆでは２３２．２８、Ｇでは４０３．２４、Ｈでは１４１７．３５、Ｉでは３７７７．３１であり、マハラノビス距離Ｄ2 による判定ではＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉの各波形ではノッキングが生じていると判定される。これに対し、目視判定では、Ａ〜Ｄが正常燃焼状態、Ｅ，Ｆ，Ｇがライトノッキング状態、Ｈ，Ｉがヘビーノッキング状態と判定されており、上述のマハラノビス距離Ｄ2 による判定が正確であることがわかる。特に、Ｄ，Ｅの波形では波形図に大きな違いはないものの、マハラノビス距離Ｄ2 が０．８４から６．２６と大きく変化しており、ノッキングが生じた状態を明確に区別して判定可能であることがわかる。
【００３３】
また目視判定によればライトノッキング状態であるＥ〜Ｇではマハラノビス距離Ｄ2 が、６．２６〜４０３．２４であり、目視判定によればヘビーノッキング状態であるＨ，Ｉではマハラノビス距離Ｄ2 が１４１４．３５〜３７７７．３１であり、このような結果から、マハラノビス距離Ｄ2 が４〜５以上であって１０００未満であるときをライトノッキング状態とし、マハラノビス距離Ｄ2 が１０００以上であるときをヘビーノッキング状態であると判定することも可能であろう。
【００３４】
次にこの実施例の作用について説明すると、内燃機関Ｅの正常燃焼時に圧力検出器４で検出した筒内圧力に関わる複数のパラメータに基づいて定めた基準空間が基準空間記憶手段９に記憶され、ノッキングを検出すべき状態で圧力検出器４によって検出した筒内圧力に関わるパラメータの前記基準空間との間のマハラノビス距離Ｄ2 が距離算出手段１０で算出され、距離算出手段１０で算出した前記マハラノビス距離Ｄ2 が予め設定した所定値、たとえば「４」を超えるときにノッキングが生じていると判定手段１１が判定し、それにより点火コイル８による点火時期を遅らせるように指示する信号が判定手段１１から点火ユニット７には入力される。
【００３５】
このようにマハラノビス距離Ｄ2 を用いてノッキングを判定するようにすると、ノッキングの度合いをその強度に応じた数値で表すことが可能であり、ノッキングを客観的にかつ正確に検出することができる。しかも判定の個人差を排除し、他機種の内燃機関Ｅのノッキング判定の基準を統一するようにしてセッティング工数を低減することが可能となる。またノッキング強度に応じて点火時期を遅らせる量をコントロールすることも可能である。
【００３６】
また基準空間記憶手段９で記憶される基準空間の設定にあたっては、筒内圧力に関わる複数のパラメータをクランク角が所定の範囲にある状態で求めるようにしている。したがってノッキングの特徴がよく表れるクランク角範囲でだけマハラノビス距離Ｄ2 を算出するようにして効率的にノッキングを検出することができる。
【００３７】
さらに前記パラメータのうち有効性の判断結果に基づいて取捨選択された複数のパラメータが、基準空間記憶手段９で記憶される基準空間の設定にあたって用いられるので、ノッキング検出にあたって有効なパラメータが取捨選択されることにより、無駄な演算・判定を手順をなくして効率的なノッキング検出が可能となる。
【００３８】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、ノッキングの度合いをその強度に応じた数値で表すようにしてノッキングを客観的にかつ正確に検出することができ、判定の個人差を排除し、他機種の内燃機関のノッキング判定の基準を統一するようにしてセッティング工数を低減することが可能となり、ノッキング強度が１つの数値で決まるので、強度に応じて点火時期遅角量を変えることも可能である。
【００４０】
また請求項２記載の発明によれば、ノッキングの特徴がよく表れるクランク角範囲でだけマハラノビス距離を算出するようにして効率的にノッキングを検出することができる。
【００４１】
さらに請求項３記載の発明によれば、ノッキング検出にあたって有効なパラメータが取捨選択されることにより、無駄な演算・判定を手順をなくして効率的なノッキング検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  内燃機関の点火時期制御装置の構成を示す図である。
【図２】  基準空間設定のためのパラメータを説明するための筒内圧力の波形図である。
【図３】  １つのパラメータのデータ分布状態を示す図である。
【図４】  有効性の判断を説明するための図である。
【図５】  筒内圧力の波形毎のマハラノビス距離の相違を説明するための図である。
【符号の説明】
４・・・圧力検出器
９・・・基準空間記憶手段
１０・・・距離算出手段
１１・・・判定手段
Ｅ・・・内燃機関
【図１】
0004116813.tif 000006
【図２】
0004116813.tif 000007
【図３】
0004116813.tif 000008
【図４】
0004116813.tif 000009
【図５】
0004116813.tif 000010