(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に配設され一対をなす電極部材を用い、点火火花の発生直後に生じるイオン電流に対応したイオン電流信号を検出するイオン電流検出手段と、
前記イオン電流検出手段で検出されたイオン電流信号から、ノッキング周波数帯域の信号とノッキング周波数帯域以外の信号とを抽出する信号抽出手段と、
を備え、ノッキング周波数帯域の信号の大きさとノッキング周波数帯域以外の信号の大きさとに基づいて、ノッキングの発生を検出する内燃機関のノッキング検出装置において、
前記信号抽出手段は、前記イオン電流信号から前記ノッキング周波数帯域の信号を抽出するとともに、同イオン電流信号からこの抽出されたノッキング周波数帯域の信号を減算することによりノッキング周波数帯域以外の信号を抽出す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】
請求項１に記載の内燃機関のノッキング検出装置において、
前記信号抽出手段は、
前記イオン電流検出手段から入力されるイオン電流信号のうちノッキング周波数帯域の信号を通過させるバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタの出力信号と、前記イオン電流信号とを入力する加算器と、
を備えることを特徴とする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、内燃機関におけるノッキングの発生を検出する内燃機関のノッキング検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、点火火花の発生直後に燃焼室内を流れるイオン電流に基づいてノッキングの発生を検出するノッキング検出装置が知られている。この種のノッキング検出装置として、特開平１１−２１７５号公報が開示されおり、同ノッキング検出装置で検出されるイオン電流信号Ｓioは、図３に示すような周波数特性となっている。つまり、ノッキングが発生した場合、検出されるイオン電流信号Ｓioは、図３の一点鎖線で示すように、６ＫＨｚ近傍の周波数領域が大きくなるノッキング信号波形となる。また、イオン電流は微少電流であるため各種ノイズの影響を受けやすく、ノイズが発生した場合に検出されるイオン電流信号Ｓioは、図３の破線で示すようなノイズ信号波形となる。
【０００３】
それ故、特開平１１−２１７５号公報では、検出したイオン電流信号Ｓioをノッキング信号（ノッキング周波数帯域の信号）とノイズ信号（ノッキング周波数帯域以外の信号）とに分離し、それぞれの信号の大きさに基づいてノッキングの発生を判定するようになっている。
【０００４】
より詳しくは、特開平１１−２１７５号公報の装置では、イオン電流信号からノッキング信号を抽出するためのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）と、イオン電流信号からノイズ信号を抽出するためのバンドエリミネーションフィルタ（ＢＥＦ）とを備えている。そして、ＢＰＦの中心周波数は、ノッキング信号波形が大きくなる６ＫＨｚに一致するように設計されるとともに、ＢＥＦの中心周波数（遮断周波数）も６ＫＨｚに一致するように設計されている。つまり、ＢＰＦ及びＢＥＦの信号透過率（入力信号に対する出力信号の比）の周波数特性は、図４（ａ）のようになり、ＢＰＦからノッキング信号に対応した値が出力されるとともに、ＢＥＦからノイズ信号に対応した値が出力される。そして、図５に示すように、ＢＰＦの出力値が予め設定された所定値α以上であり、かつＢＰＦの出力値とＢＥＦの出力値との比が所定値β以上、即ち（ＢＰＦ出力値／ＢＥＦ出力値）≧βである場合にノッキング有りと判定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開平１１−２１７５号公報の装置では、ＢＥＦとＢＰＦとを独立した回路にて構成しているため、図４（ｂ）に示すように、ＢＥＦとＢＰＦとの中心周波数ｆ0がズレてしまうおそれがある。この場合、ＢＰＦの出力値とＢＥＦの出力値との比が変動し、ノッキングかノイズかの判定が困難となってしまう。
【０００６】
具体的には、ＢＰＦの振幅ＴＨａ，ＢＥＦの振幅ＴＨｂは、それぞれ下記の数式のようになることが知られている。
【０００７】
【数１】
0004211177.tif 000002
但し、ｆ：入力周波数、ｆ0：中心周波数、Ｑ：選択度とする。
【０００８】
ここで、中心周波数ｆ0＝６ＫＨｚ、選択度Ｑ＝１０とした場合、入力周波数ｆ＝５ＫＨｚに対する振幅は、
ＢＰＦの振幅ＴＨａ＝０．２６３（図４（ａ）のＡ点）
ＢＥＦの振幅ＴＨｂ＝０．９６４（図４（ａ）のＢ点）
となる。つまり、ノイズにより５ＫＨｚの周波数帯域で所定の振幅を持つイオン電流信号Ｓioが発生したとき、ＢＥＦの出力値はＢＰＦの出力値に対して大きく、その出力比（ＢＰＦ出力値／ＢＥＦ出力値）は図５の「○」に示すように所定のしきい値βよりも小さくなる。このため、検出されたイオン電流信号Ｓioがノイズによるものとして判定することができる。
【０００９】
一方、使用素子（抵抗やコンデンサ等）のバラツキによりＢＥＦの中心周波数ｆ0が５ＫＨｚにズレた場合（図４（ｂ）参照）、入力周波数ｆ＝５ＫＨｚに対する振幅は、
ＢＰＦの振幅ＴＨａ＝０．２６３（図４（ｂ）のＡ点）
ＢＥＦの振幅ＴＨｂ＝０（図４（ｂ）のＣ点）
となる。つまり、ノイズにより５ＫＨｚの周波数帯域で所定の振幅を持つイオン電流信号Ｓioが発生したとき、ＢＥＦの出力値はＢＰＦの出力値に対して小さくなり、その出力比（ＢＰＦ出力値／ＢＥＦ出力値）は図５の「□」に示すように所定のしきい値βよりも大きくなる。このため、検出されたイオン電流信号Ｓioがノッキングによるものとして誤判定してしまう。
【００１０】
上述したように、特開平１１−２１７５号公報の装置では、ノッキングの発生を的確に判定するためには、ＢＰＦとＢＥＦの中心周波数ｆ0を一致させる必要がある。一般に、中心周波数ｆ0を一致させるために、バリアブルレジスタを使用して調整するか、高精度の素子を使用して中心周波数ｆ0のバラツキを抑制する対策がとられているが、何れもコストが上昇するという欠点がある。
【００１１】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、高価な構成を要することなくノッキングを正確に検出することができるノッキング検出装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関では点火火花の発生直後に燃焼室内をイオン電流が流れ、そのイオン電流に対応したイオン電流信号が電極部材を用いて検出される。そして、信号抽出手段によってイオン電流信号からノッキング周波数帯域の信号が抽出されるとともに、この抽出されたノッキング周波数帯域の信号がイオン電流信号から減算されることでノッキング周波数帯域以外の信号が抽出される。この場合、イオン電流信号とノッキング周波数帯域の信号との減算によってノッキング周波数帯域以外の信号が抽出されるので、ノッキング周波数帯域の信号における中心周波数と、ノッキング周波数帯域以外の信号における中心周波数とがズレることがない。つまり、既述した従来技術では、独立な回路で構成したＢＰＦとＢＥＦとの中心周波数のズレによりノッキングを誤判定するおそれがあるが、本発明では、中心周波数が常に一致するので、ノッキング周波数帯域の信号の大きさと、ノッキング周波数帯域以外の信号の大きさとに基づいて、ノッキングの発生を正確に判定できる。また、中心周波数のズレが解消されるため、バリアブルレジスタを使用して調整する等の対策が不要となり、コストが上昇するといった不都合を回避できる。よって、高価な構成を要することなくノッキングを正確に検出することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、バンドパスフィルタによってイオン電流信号のうちノッキング周波数帯域の信号が通過され、そのバンドパスフィルタの出力信号とイオン電流信号が加算器に入力される。この場合、加算器によって、イオン電流信号からバンドパスフィルタの出力信号を減算（取り除くこと）できるので、この加算器の出力は、イオン電流信号からノッキング周波数帯域以外の信号を抽出したものとなる。つまり、ＢＰＦとＢＥＦとの独立な回路で構成した従来技術のように、ノッキング周波数帯域の中心周波数を設定するための回路素子とノッキング周波数帯域以外の中心周波数を設定するための回路素子を個別に設ける必要がなく、簡素な構成にてノッキング検出装置を実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施の形態における内燃機関のノッキング検出装置の概略構成を示す。
【００１５】
図１に示すように、点火コイル１０の１次巻線１０ａには、スイッチング素子１１が接続され、そのスイッチング素子１１のゲートには、点火信号ＩＧｔが入力されるようになっている。そして、この点火信号ＩＧｔによりスイッチング素子１１がオンされることで、点火コイル１０の１次巻線１０ａが通電され、バッテリ電源＋Ｂから１次電流Ｉ1が流れる。
【００１６】
また、点火コイル１０の２次巻線１０ｂ側における２次電流Ｉ2 が環流する電流路は、点火プラグ１２、点火コイル１０の２次巻線１０ｂ、ツェナーダイオード１３及びツェナーダイオード１４によって形成されている。ここで、点火プラグ１２は、内燃機関の燃焼室に配置され、その先端の中心電極と接地電極により一対の電極部材が構成されている。ツェナーダイオード１４は２次電流Ｉ2 （２次環流電流）の流れる方向に対して順方向に接続されている。なお、ツェナーダイオード１３は、これに並列に接続されたイオン電流検出用電源としてのコンデンサ１５を充電するためのダイオードである。また、ツェナーダイオード１４に並列に抵抗１６が接続されている。
【００１７】
イオン電流検出時には、コンデンサ１５から点火コイル１０の２次巻線１０ｂ、点火プラグ１２の順にイオン電流Ｉioが流れる。また、イオン電流Ｉioは、オペアンプ２０の反転入力端子側からイオン電流検出抵抗１７を介して流れ、そのイオン電流検出抵抗１７によってイオン電流Ｉioが検出される。そして、イオン電流検出抵抗１７を流れるイオン電流Ｉioに基づいてオペアンプ２０からイオン電流信号Ｓioが出力される。なお、オペアンプ２０の反転入力端子と出力端子との間に接続された抵抗２１はオペアンプ２０のゲインを設定するための増幅用抵抗である。また、本実施の形態では、点火コイル１０の２次巻線１０ｂ、点火プラグ１２、ツェナーダイオード１３，１４、コンデンサ１５、抵抗１６，１７，２１及びオペアンプ２０によりイオン電流検出手段が構成されている。
【００１８】
ここで、イオン電流信号Ｓioは、ノッキングが発生しているときには、図３の一点鎖線で示すように、６ＫＨｚ近傍の周波数域が大きくなるノッキング信号波形となる。また、スパイクノイズや火炎ノイズ等のノイズが発生しているときには、図３の破線で示すように、４ＫＨｚ近傍の周波数域に特徴的なノイズ信号波形となる。そこで、イオン電流信号Ｓioからこれらの特徴的な波形を抽出するため、まず、イオン電流信号Ｓioを３ＫＨｚ（カットオフ周波数）のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２２を通過させ、ノッキング信号やノイズ信号を含む３ＫＨｚより高い周波数域からなる信号とする。ここでは、ノッキング信号とノイズ信号とでほぼ同様の波形形状を呈する３ＫＨｚより低い周波数域をイオン電流信号Ｓioから予め除去することで、ノッキングまたはノイズの発生を判定できることとなる。
【００１９】
ＨＰＦ２２を通過した信号は、マスク回路２３に入力され、マイクロコンピュータ３０からのタイミング信号に基づき設定されたマスク区間のみの信号とされた後、フィルタ回路２４に入力される。
【００２０】
フィルタ回路２４は、本発明の信号抽出手段に相当するものであり、ＢＰＦ２４ａと加算器２４ｂとから構成されている。ＢＰＦ２４ａは、その中心周波数が６ＫＨｚとなるように設定されており、ＨＰＦ２２を通過された信号のうち６ＫＨｚ近傍の周波数帯域の信号を通過させる。つまり、ＢＰＦ２４ａは、ノッキングに伴い発生するノッキング信号を含む信号を出力する。一方、加算器２４ｂは、ＨＰＦ２２を通過した信号から６ＫＨｚ近傍の周波数帯域の信号を除去し、ノイズに伴い発生するノイズ信号（４ＫＨｚ近傍の周波数帯域）を含む信号を出力する。
【００２１】
ＢＰＦ２４ａの出力信号は、ピークホールド回路２５に入力され、マイクロコンピュータ３０からのタイミング信号に基づき設定されたゲート区間においてピークホールドされる。そして、ピークホールド回路２５にてピークホールドされた信号は、Ａ／Ｄ変換器２６でＡ／Ｄ変換されたのちマイクロコンピュータ３０に取り込まれる。
【００２２】
また、加算器２４ｂの出力信号は、ピークホールド回路２８に入力され、マイクロコンピュータ３０からのタイミング信号に基づき設定されたゲート区間においてピークホールドされる。そして、ピークホールド回路２８にてピークホールドされた信号は、Ａ／Ｄ変換器２９でＡ／Ｄ変換されたのちマイクロコンピュータ３０に取り込まれる。
【００２３】
マイクロコンピュータ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力回路等からなる周知の論理演算回路として構成されており、その時々の機関運転状態に基づき点火信号ＩＧｔを生成して出力する。また、マイクロコンピュータ３０は前記Ａ／Ｄ変換器２６，２９より取り込んだ入力信号を用いてノッキングの有無を判定し、それにより点火時期を遅角する等のノッキング制御を実施する。
【００２４】
次に、本実施の形態におけるフィルタ回路２４の構成を図２を用いて説明する。
図２に示すように、フィルタ回路２４のＢＰＦ２４ａは、いわゆる多重帰還形ＢＰＦであって、抵抗３１，３２，３３、コンデンサ３４，３５及びオペアンプ３６にて構成され、抵抗３１，３２，３３及びコンデンサ３４，３５によって中心周波数ｆ0が６ＫＨｚとなるように設計されている。詳しくは、オペアンプ３６の反転入力端子はコンデンサ３４と抵抗３１を介して前記マスク回路２３（図１参照）に接続される。コンデンサ３４と抵抗３１との接続部は、抵抗３２を介して接地されるとともに、コンデンサ３５を介してオペアンプ３６の出力に接続されている。また、オペアンプ３６の反転入力端子は、抵抗３３を介してオペアンプ３６の出力に接続されている。さらに、オペアンプ３６の非反転入力端子は接地されている。
【００２５】
このＢＰＦ２４ａは、マスク回路２３からの入力信号のうち、６ＫＨｚ近傍の周波数帯域の信号を通過させるとともに、入力信号に対して位相を１８０°反転した信号を出力する。そして、ＢＰＦ２４ａの出力（オペアンプ３６の出力）信号は、図１のピークホールド回路２５に入力される。
【００２６】
一方、加算器２４ｂは、抵抗４１，４２，４３及びオペアンプ４４にて構成されている。オペアンプ４４の反転入力端子は、抵抗４１を介して前記マスク回路２３（図１参照）に接続され、オペアンプ４４の非反転入力端子は接地されている。また、オペアンプ４４の反転入力端子は、抵抗４２を介してオペアンプ３６の出力（ＢＰＦ２４ａの出力）に接続されるとともに、抵抗４３を介してオペアンプ４４の出力に接続されている。従って、加算器２４ｂには、ＢＰＦ２４ａの出力信号とマスク回路２３を通過された信号が入力される。ところで、ＢＰＦ２４ａの出力信号は、マスク回路２３を通過された信号に対して位相が１８０°反転しているので、加算器２４ｂは、マスク回路２３を通過された信号からＢＰＦ２４ａの出力信号を減算する（取り除く）こととなる。そして、加算器２４ｂの出力（オペアンプ４４の出力）信号は、図１のピークホールド回路２８に入力される。
【００２７】
ここで、ＢＰＦ２４ａの伝達関数Ｔａ（ｓ）は、下記の数式のように表される。
【００２８】
【数２】
0004211177.tif 000003
但し、ω0＝２πｆ0である。
【００２９】
従って、加算器２４ｂの出力をＴｂ（ｓ）とすると、下記の数式のようになる。
【００３０】
【数３】
0004211177.tif 000004
この上記数式は、ＢＥＦの伝達関数と等しく、図２のようにフィルタ回路２４を構成した場合、加算器２４ｂの出力にてＢＥＦ特性を得ることができる。
【００３１】
従って、上述したノッキング検出装置では、イオン電流信号ＳioがＨＰＦ２２→マスク回路２３→ＢＰＦ２４ａ→ピークホールド回路２５→Ａ／Ｄ変換器２６を通過することにより、同Ｓio信号からノッキング周波数帯域の信号が抽出され、それがＢＰＦ出力値としてマイクロコンピュータ３０に取り込まれる。さらに、イオン電流信号Ｓioは、ＨＰＦ２２→マスク回路２３→加算器２４ｂ→ピークホールド回路２８→Ａ／Ｄ変換器２９を通過することにより、同Ｓio信号からノッキング周波数帯域以外の信号が抽出され、それがＢＥＦ出力値としてマイクロコンピュータ３０に取り込まれる。
【００３２】
このようにノッキング検出装置を構成した場合、内燃機関の運転時においてノッキングが発生すると、図３に示すように、イオン電流信号Ｓioは、６ＫＨｚの周波数帯域に特徴的な信号となるため、ＢＰＦ２４ａ側の経路を通ってマイクロコンピュータ３０に取り込まれるＢＰＦ出力値が大きくなる。一方、ノイズが発生する場合には、イオン電流信号Ｓioは、４ＫＨｚの周波数帯域に特徴的な信号となるため、加算器２４ｂ側の経路を通ってマイクロコンピュータ３０に取り込まれるＢＥＦ出力値が大きくなる。
【００３３】
従って、マイクロコンピュータ３０は、取込まれたＢＰＦ出力値及びＢＥＦ出力値のうち、まず、ＢＰＦ出力値が予め設定された所定値α以上の領域（図５参照）にあるかを判定する。そして、この判定条件が成立するときには更に、ＢＰＦ出力値とＢＥＦ出力値との比が予め設定された傾きで表される所定値β以上の領域、即ち、（ＢＰＦ出力値）／（ＢＥＦ出力値）≧βとなる領域（図５参照）にあるかを判定する。この判定条件が成立するときには、マイクロコンピュータ３０は、内燃機関で実際にノッキングが発生していると判定する。そして、マイクロコンピュータ３０は、この判定に基づき内燃機関に対する周知の点火時期の遅角制御を実行する。
【００３４】
一方、ＢＰＦ出力値が予め設定された所定値α以上の領域にあり、かつＢＰＦ出力値とＢＥＦ出力値との比が所定値β未満の領域、即ち、（ＢＰＦ出力値）／（ＢＥＦ出力値）＜βとなる領域にあるときには、マイクロコンピュータ３０はノイズの発生であると判定する。このときには、ノッキングが発生しているわけではないため、マイクロコンピュータ３０は、内燃機関に対する点火時期の遅角制御を禁止する。
【００３５】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（１）ＢＰＦ２４ａを用いてイオン電流信号Ｓioからノッキング周波数帯域の信号を抽出するとともに、加算器２４ｂを用いてノッキング周波数帯域の信号をイオン電流信号Ｓioから減算する（取り除く）ことによりノッキング周波数帯域以外の信号を抽出するようにした。この場合、抽出したノッキング周波数帯域の信号（ＢＰＦ２４ａの出力信号）における中心周波数ｆ0とノッキング周波数帯域以外の信号（加算器２４ｂの出力信号）における中心周波数（ＢＥＦの遮断周波数）ｆ0はズレることがない。つまり、既述した従来技術では、独立な回路で構成したＢＰＦとＢＥＦとの中心周波数ｆ0のズレによりノッキングを誤判定するおそれがあるが、本実施の形態では、中心周波数ｆ0が常に一致するので、ノッキング周波数帯域の信号の大きさと、ノッキング周波数帯域以外の信号の大きさとに基づいて、ノッキングの発生を正確に判定できる。また、中心周波数ｆ0のズレが解消されるため、バリアブルレジスタを使用して調整する等の対策が不要となり、コストが上昇するといった不都合を回避できる。よって、高価な構成を要することなくノッキングを正確に検出することができる。
【００３６】
（２）本実施の形態では、ＢＰＦ２４ａを構成する回路素子３１〜３５によって、ＢＰＦ２４ａから出力されるノッキング周波数帯域の信号の中心周波数ｆ0と、加算器２４ｂから出力されるノッキング周波数帯域以外の信号の中心周波数ｆ0とが設定される。つまり、ＢＰＦとＢＥＦとの独立な回路で構成した従来技術のように、ＢＰＦの中心周波数ｆ0を設定するための回路素子とＢＥＦの中心周波数ｆ0を設定するための回路素子を個別に設ける必要がなく、簡素な構成でノッキング検出装置を実現できる。
【００３７】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、フィルタ回路２４を構成するＢＰＦ２４ａは、入力信号に対して位相反転した信号を出力するＢＰＦであったがこれに限定するものではない。例えば、入力信号に対して同位相の信号を出力するＢＰＦを用いてもよい。なおこの場合、ＢＰＦの出力信号をイオン電流信号Ｓioから減算するよう加算器２４ｂの回路構成を変更する。また、ＢＰＦ２４ａの中心周波数ｆ0は、６ＫＨｚに限定するものではなく、内燃機関に特有のノック周波数帯域に適合させるものであればよい。
【００３８】
上記実施の形態では、ピークホールド回路２５，２８を用いているが、これらに代えて積分回路を用いＢＰＦ２４ａ、加算器２４ｂからの出力信号をそれぞれ積分してもよい。
【００３９】
また、イオン電流を検出するための電極部材は、点火プラグ１２以外に、例えば、グロープラグを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるノッキング検出装置の概要を示す構成図。
【図２】フィルタ回路の回路図。
【図３】イオン電流信号の周波数成分を示す特性図。
【図４】ＢＰＦ及びＢＥＦの信号透過率の周波数特性図。
【図５】ＢＰＦ及びＢＥＦの信号透過率の周波数特性図。
【符号の説明】
１０ｂ…電流検出手段を構成する２次巻線、１２…電極部材としての点火プラグ、１３…電流検出手段を構成するツェナーダイオード、１４…電流検出手段を構成するツェナーダイオード、１５…電流検出手段を構成するコンデンサ、１６…電流検出手段を構成する抵抗、１７…電流検出手段を構成する抵抗、２０…電流検出手段を構成するオペアンプ、２１…電流検出手段を構成する抵抗、２４…信号抽出手段としてのフィルタ回路、２４ａ…バンドパスフィルタ、２４ｂ…加算器。
【図１】
0004211177.tif 000005
【図２】
0004211177.tif 000006
【図３】
0004211177.tif 000007
【図４】
0004211177.tif 000008
【図５】
0004211177.tif 000009