(57)【要約】【課題】ノッキングに起因する振動が現れるクランク角の区間において、検出された振動波形と基準として定められたノック波形モデルとを比較することにより、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定する。【解決手段】エンジンＥＣＵは、エンジン回転数ＮＥおよび負荷に応じた減衰率で強度が低下するように、エンジンの振動の波形の基準であるノック波形モデルを設定するステップ（Ｓ１０６）と、ノック波形モデルにおける強度がしきい値Ｖ（０）より大きいクランク角の区間において、検出された振動波形とノック波形モデルとを比較することにより相関係数Ｋを算出するステップ（Ｓ１１２）と、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きいか否かによりノッキングが発生したか否かを判定するステップ（Ｓ１１８，Ｓ１２２）とを含む、プログラムを実行する。【選択図】図１４
2009002306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランク角を検出するための手段と、
クランク角に対応させて、前記内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、
前記内燃機関の振動の強度に基づいて、クランク角についての予め定められた区間における振動の波形を検出するための手段と、
前記内燃機関の運転状態に応じた比率で、クランク角が大きくなるほど強度がより低下するように、前記内燃機関の振動の波形の基準である波形モデルを設定するための設定手段と、
前記波形モデルにおける強度が予め定められた値よりも大きいクランク角の区間で、前記検出された波形および前記波形モデルを比較した結果に基づいて、前記内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを備える、内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項２】
前記設定手段は、隣接するクランク角のうちの小さい方のクランク角の強度に対して前記内燃機関の運転状態に応じた比率で大きい方のクランク角の強度が低下するように前記波形モデルを設定するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項３】
隣接するクランク角間の強度の差を予め定められた値以上に制限するための手段をさらに備える、請求項２に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項４】
前記内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つに応じて前記比率を設定するための比率設定手段をさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項５】
前記比率設定手段は、前記内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つが小さいほど、強度がより低下するように前記比率を設定するための手段を有する、請求項４に記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【請求項６】
前記判定手段は、
前記検出された波形における強度および前記波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より小さい場合に前記内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段と、
前記検出された波形における強度および前記波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より大きい場合に前記内燃機関にノッキングが発生していないと判定するための手段とを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のノッキング判定装置に関し、特に、内燃機関の振動の波形に基づいてノッキングの有無を判定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関において発生するノッキング（ノック）を検出する様々な方法が提案されている。たとえば、内燃機関の振動の強度がしきい値よりも高いとノッキングが発生したと判定する技術がある。ところが、ノッキングが発生していなくても、たとえば吸気バルブや排気バルブが閉じる際に発生する振動などのノイズの強度がしきい値よりも高い場合がある。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。そこで、振動が発生するクランク角や減衰率など、強度以外の特性も考慮するために振動の波形に基づいてノッキングの有無を判定する技術が提案されている。
【０００３】
特開２００５−３３０９５４号公報（特許文献１）は、振動の波形を用いることによりノッキングが発生したか否かを精度よく判定する内燃機関のノッキング判定装置を開示する。特許文献１に記載のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するためのクランク角検出部と、内燃機関の振動の強度に関する値を検出するための振動検出部と、振動の強度に関する値を、検出された振動の強度に関する値のうちの最大値により除算した値に基づいて、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出するための波形検出部と、内燃機関の振動の波形を予め記憶するための記憶部と、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定部とを含む。判定部は、検出された波形および記憶された波形の偏差を表わす値に基づいてノッキングが発生したか否かを判別する。偏差を表わす値は、検出された波形における強度と記憶された波形における強度とのクランク角ごとの差の合計を、記憶された波形における強度をクランク角で積分した値で除算することにより算出される。
【０００４】
この公報に記載のノッキング判定装置によれば、クランク角検出部が、内燃機関のクランク角を検出し、振動検出部が振動の強度に関する値を検出し、波形検出部が、振動の強度（大きさ）に関する値に基づいて、予め定められたクランク角の間における内燃機関の振動の波形を検出する。記憶部が、内燃機関の振動の波形を予め記憶し、判定部が、検出された波形と記憶された波形とを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する。これにより、たとえば実験などにより、ノッキングが発生した場合の振動の波形であるノック波形モデルを予め作成して記憶しておき、このノック波形モデルと検出された波形とを比較して、ノッキングが発生したか否かを判定することができる。そのため、エンジンの振動がノッキングに起因した振動であるか否かをより詳細に分析することができる。その結果、精度よくノッキングが発生したか否かを判定することができる。
【特許文献１】特開２００５−３３０９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関の出力軸回転数が小さい場合は大きい場合に比べて、たとえば１秒間にクランク角が大きくなる量が小さい。そのため、ノッキングに起因する振動が検出される時間の長さは同じであっても、ノッキングに起因する振動が検出されるクランク角の区間の長さは内燃機関の出力軸回転数に応じて変化し得る。したがって、ノック波形モデルが定められるクランク角の区間の長さが常に同じであると、ノッキングに起因する振動があられ得るクランク角に対して、ノック波形モデルが定められるクランク角の区間の長さが短い場合もしくは長い場合があり得る。これらの場合、ノッキングが発生したにもかかわらず、ノッキングが発生していないと誤って判定されうる。しかしながら、特開２００５−３３０９５４号公報には、このような課題に関する記載は何等ない。
【０００６】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる内燃機関のノッキング判定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、内燃機関のクランク角を検出するための手段と、クランク角に対応させて、内燃機関の振動の強度を検出するための手段と、内燃機関の振動の強度に基づいて、クランク角についての予め定められた区間における振動の波形を検出するための手段と、内燃機関の運転状態に応じた比率で、クランク角が大きくなるほど強度がより低下するように、内燃機関の振動の波形の基準である波形モデルを設定するための設定手段と、波形モデルにおける強度が予め定められた値よりも大きいクランク角の区間で、検出された波形および波形モデルを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定するための判定手段とを備える。
【０００８】
この構成によると、内燃機関のクランク角が検出される。内燃機関の振動の強度がクランク角に対応して検出される。強度に基づいて、クランク角についての予め定められた区間における振動の波形が検出される。検出された波形と比較するために、内燃機関の振動の波形の基準である波形モデルが設定される。波形モデルは、内燃機関の運転状態に応じた比率で、クランク角が大きくなるほど強度がより低下するように設定される。波形モデルにおける強度が予め定められた値よりも大きいクランク角の区間で、検出された波形および波形モデルを比較した結果に基づいて、内燃機関にノッキングが発生したか否かが判定される。ところで、波形モデルは、内燃機関の運転状態に応じた比率で、クランク角が大きくなるほど強度がより低下するように設定される。したがって、波形モデルにおいて強度が低下する比率は変化する。強度が速やかに低下した場合、強度が緩やかに低下した場合に比べて、波形モデルにおいて強度が予め定められた値よりも大きくなるクランク角の区間が短くなり得る。これにより、検出された波形および波形モデルを比較するクランク角の区間を、内燃機関の運転状態に応じて変更することができる。そのため、ノッキングに起因する振動が明確に現れ得るクランク角の区間において、検出された波形と波形モデルとを比較することができる。その結果、ノッキングが発生したか否かを精度よく判定することができる内燃機関のノッキング判定装置を提供することができる。
【０００９】
第２の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１の発明の構成に加え、設定手段は、隣接するクランク角のうちの小さい方のクランク角の強度に対して内燃機関の運転状態に応じた比率で大きい方のクランク角の強度が低下するように波形モデルを設定するための手段を含む。
【００１０】
この構成によると、隣接するクランク角のうちの小さい方のクランク角の強度に対して内燃機関の運転状態に応じた比率で大きい方のクランク角の強度が低下するように波形モデルが設定される。これにより、クランク角が大きくなるにしたがって強度が滑らかに低下する波形モデルを設定することができる。そのため、ノッキングに起因する振動の波形との差異が少ない波形モデルを設定することができる。
【００１１】
第３の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第２の発明の構成に加え、隣接するクランク角間の強度の差を予め定められた値以上に制限するための手段をさらに備える。
【００１２】
この構成によると、隣接するクランク角間の強度の差が予め定められた値以上に制限される。これにより、クランク角が大きくなるにしたがって波形モデルにおける強度が必ず低下するようにすることができる。そのため、強度の変動が小さい振動と波形モデルとの差を大きくすることができる。その結果、検出された振動の波形における強度の変動が小さいことからノッキングは発生していないと考えられる場合には、ノッキングが発生していと正しく判定することができる。
【００１３】
第４の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置は、第１〜３のいずれかの発明の構成に加え、内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つに応じて比率を設定するための比率設定手段をさらに備える。
【００１４】
この構成によると、ノッキングに起因する振動の減衰率などは、内燃機関の出力軸回転数および負荷などに応じて変化するため、波形モデルにおいて強度が低下する比率は、内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つに応じて設定される。これにより、ノッキングに起因する振動の波形との差異が少ない波形モデルを設定することができる。
【００１５】
第５の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第４の発明の構成に加え、比率設定手段は、内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つが小さいほど、強度がより低下するように比率を設定するための手段を含む。
【００１６】
この構成によると、ノッキングに起因する振動が現れるクランク角の区間の長さは、内燃機関の出力軸回転数および負荷などが小さいほど短くなるため、波形モデルにおいて強度が低下する比率は、内燃機関の出力軸回転数および負荷のうちの少なくともいずれか一つが小さいほど、強度がより低下するように設定される。これにより、ノッキングに起因する振動の波形との差異が少ない波形モデルを設定することができる。
【００１７】
第６の発明に係る内燃機関のノッキング判定装置においては、第１〜５のいずれかの発明の構成に加え、判定手段は、検出された波形における強度および波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より小さい場合に内燃機関にノッキングが発生したと判定するための手段と、検出された波形における強度および波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より大きい場合に内燃機関にノッキングが発生していないと判定するための手段とを含む。
【００１８】
この構成によると、検出された波形における強度および波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より小さい場合に内燃機関にノッキングが発生したと判定される。検出された波形における強度および波形モデルにおける強度のクランク角毎の差の合計がしきい値より大きい場合に内燃機関にノッキングが発生していないと判定される。これにより、波形モデルを用いてノッキングが発生したか否かを精度よく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】
【００１９】
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一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２０】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係るノッキング判定装置を搭載した車両のエンジン１００について説明する。このエンジン１００には複数の気筒が設けられる。本実施の形態に係るノッキング判定装置は、たとえばエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００が実行するプログラムにより実現される。なお、エンジンＥＣＵ２００により実行されるプログラムをＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に記録して市場に流通させてもよい。
【００２１】
エンジン１００は、エアクリーナ１０２から吸入された空気とインジェクタ１０４から噴射される燃料との混合気を、燃焼室内で点火プラグ１０６により点火して燃焼させる内燃機関である。点火時期は、出力トルクが最大になるＭＢＴ（Minimum advance for Best Torque）になるように制御されるが、ノッキングが発生した場合など、エンジン１００の運転状態に応じて遅角されたり、進角されたりする。
【００２２】
混合気が燃焼すると、燃焼圧によりピストン１０８が押し下げられ、クランクシャフト１１０が回転する。燃焼後の混合気（排気ガス）は、三元触媒１１２により浄化された後、車外に排出される。エンジン１００に吸入される空気の量は、スロットルバルブ１１４により調整される。
【００２３】
エンジン１００は、エンジンＥＣＵ２００により制御される。エンジンＥＣＵ２００には、ノックセンサ３００と、水温センサ３０２と、タイミングロータ３０４に対向して設けられたクランクポジションセンサ３０６と、スロットル開度センサ３０８と、車速センサ３１０と、イグニッションスイッチ３１２と、エアフローメータ３１４とが接続されている。
【００２４】
ノックセンサ３００は、エンジン１００のシリンダブロックに設けられる。ノックセンサ３００は、圧電素子により構成されている。ノックセンサ３００は、エンジン１００の振動により電圧を発生する。電圧の大きさは、振動の大きさと対応した大きさとなる。ノックセンサ３００は、電圧を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。水温センサ３０２は、エンジン１００のウォータージャケット内の冷却水の温度を検出し、検出結果を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。
【００２５】
タイミングロータ３０４は、クランクシャフト１１０に設けられており、クランクシャフト１１０と共に回転する。タイミングロータ３０４の外周には、予め定められた間隔で複数の突起が設けられている。クランクポジションセンサ３０６は、タイミングロータ３０４の突起に対向して設けられている。タイミングロータ３０４が回転すると、タイミングロータ３０４の突起と、クランクポジションセンサ３０６とのエアギャップが変化するため、クランクポジションセンサ３０６のコイル部を通過する磁束が増減し、コイル部に起電力が発生する。クランクポジションセンサ３０６は、起電力を表わす信号を、エンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角およびクランクシャフト１１０の回転数を検出する。
【００２６】
スロットル開度センサ３０８は、スロットル開度を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。車速センサ３１０は、車輪（図示せず）の回転数を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。エンジンＥＣＵ２００は、車輪の回転数から、車速を算出する。イグニッションスイッチ３１２は、エンジン１００を始動させる際に、運転者によりオン操作される。エアフローメータ３１４は、エンジン１００に吸入される空気量を検出し、検出結果を表わす信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。
【００２７】
エンジンＥＣＵ２００は、電源である補機バッテリ３２０から供給された電力により作動する。エンジンＥＣＵ２００は、各センサおよびイグニッションスイッチ３１２から送信された信号、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて演算処理を行ない、エンジン１００が所望の運転状態となるように、機器類を制御する。
【００２８】
本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号およびクランク角に基づいて、予め定められたノック検出ゲート（予め定められた第１クランク角から予め定められた第２クランク角までの区間）におけるエンジン１００の振動の波形（以下、振動波形と記載する）を検出し、検出された振動波形に基づいて、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを判定する。本実施の形態におけるノック検出ゲートは、燃焼行程において上死点（０度）から９０度までである。なお、ノック検出ゲートはこれに限らない。
【００２９】
ノッキングが発生した場合、エンジン１００には、図２において実線で示す周波数付近の周波数の振動が発生する。ノッキングに起因して発生する振動の周波数は一定ではなく、所定の帯域幅を有する。
【００３０】
振動を検出する周波数帯の帯域幅が広いと、ノッキングに起因して発生する振動以外のノイズ（たとえば筒内噴射用インジェクタや給排気バルブの着座による振動）を含む可能性が高くなる。
【００３１】
逆に、振動を検出する帯域幅を狭くすると、検出される振動の強度に含まれるノイズ成分を抑制することができる反面、振動波形からもノイズ成分の特徴的な部分（振動の発生タイミングや減衰率など）が除去される。この場合、実際はノイズ成分に起因する振動であっても、ノイズ成分を含まない振動波形、すなわちノッキング時における振動波形に類似した波形が検出される。そのため、振動波形からノッキングに起因する振動とノイズに起因する振動とを区別し難くなる。
【００３２】
そこで、本実施の形態においては、ノッキングに特有の振動を精度よく取り込むため、帯域幅が狭く設定された第１の周波数帯Ａ、第２の周波数帯Ｂおよび第３の周波数帯Ｃにおける振動が検出される。
【００３３】
一方、ノイズの発生時にはノイズを考慮してノッキングが発生したか否かを判定するため、ノイズを取り込むように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃを含む広域の第４の周波数帯Ｄにおける振動が検出される。
【００３４】
図３に示すように、エンジンＥＣＵ２００は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部４００と、バンドパスフィルタ（１）４１１と、バンドパスフィルタ（２）４１２と、バンドパスフィルタ（３）４１３と、バンドパスフィルタ（４）４１４と、積算部４２０とを含む。
【００３５】
バンドパスフィルタ（１）４１１は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第１の周波数帯Ａの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（１）４１１により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第１の周波数帯Ａの振動のみが抽出される。
【００３６】
バンドパスフィルタ（２）４１２は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第２の周波数帯Ｂの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（２）４１２により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第２の周波数帯Ｂの振動のみが抽出される。
【００３７】
バンドパスフィルタ（３）４１３は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第３の周波数帯Ｃの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（３）４１３により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第３の周波数帯Ｃの振動のみが抽出される。
【００３８】
バンドパスフィルタ（４）４１４は、ノックセンサ３００から送信された信号のうち、第４の周波数帯Ｄの信号のみを通過させる。すなわち、バンドパスフィルタ（４）４１４により、ノックセンサ３００が検出した振動から、第４の周波数帯Ｄの振動のみが抽出される。
【００３９】
積算部４２０は、バンドパスフィルタ（１）４１１〜バンドパスフィルタ（４）４１４により選別された信号、すなわち振動の強度を、クランク角度で５度分づつ積算した積算値（以下、５度積算値とも記載する）を算出する。５度積算値の算出は、周波数帯ごとに行なわれる。
【００４０】
さらに、算出された第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの５度積算値は、クランク角度に対応して加算される。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの振動波形が合成される。
【００４１】
したがって、本実施の形態においては、図４に示すように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形と第４の周波数帯Ｄの振動波形とが、エンジン１００の振動波形として用いられる。第４の周波数帯Ｄの振動波形（５度積算値）は合成されずに、単独で用いられる。
【００４２】
検出された振動波形のうち、第４の周波数帯Ｄの振動波形は、図５に示すように、強度が最大になるクランク角以降のクランク角において、ノック波形モデルと比較される。ノック波形モデルは、エンジン１００の振動波形の基準として定められる。本実施の形態において、ノック波形モデルの強度は、第４の周波数帯Ｄの振動波形が検出される度に設定される。すなわち、ノック波形モデルの強度は、１点火サイクル毎に定められる。
【００４３】
ノック波形モデルにおける強度は、第４の周波数帯Ｄの振動波形の強度（５度積算値）に基づいて設定される。より具体的には、ノック波形モデルにおける強度の最大値が、第４の周波数帯Ｄの振動波形の強度の最大値と同じになるように設定される。
【００４４】
一方、最大値以外の強度は、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン１００の負荷に応じて設定される。より具体的には、隣接するクランク角における強度の減衰率が、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン１００の負荷をパラメータに有するマップに従って設定される。
【００４５】
したがって、たとえば、２５％の減衰率で、クランク角で２０度分の強度を設定する場合、図６に示すように、２５％ずつ強度が減少する。すなわち、隣接するクランク角のうちの小さい方のクランク角の強度に対して一定の減衰率で大きい方のクランク角の強度が低下するようにノック波形モデルが定められる。なお、本実施の形態において、隣接するクランク角とは、５度積算値が隣接するクランク角を意味する。ノック波形モデルを設定する方法については、後でさらに詳細に説明する。
【００４６】
振動波形とノック波形モデルとは、図７に示すように、ノック波形モデルにおける振動の強度がしきい値Ｖ（０）よりも大きいクランク角の区間で比較される。すなわち、ノック波形モデルのうち、しきい値Ｖ（０）以下の部分は用いられない。以下、振動波形とノック波形モデルとを比較する区間、すなわち、ノック波形モデルの強度がしきい値Ｖ（０）よりも大きい区間を、比較区間とも記載する。
【００４７】
本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、振動波形がノック波形モデルに類似する度合を表わす（振動波形とノック波形モデルとの偏差を表わす）相関係数Ｋを算出する。振動波形において振動の強度が最大になるタイミングとノック波形モデルにおいて振動の強度が最大になるタイミングとを一致させた状態で、振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値（ズレ量）をクランク角ごと（５度ごと）に算出することにより、相関係数Ｋが算出される。なお、５度以外のクランク角ごとに振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度との差の絶対値を算出するようにしてもよい。
【００４８】
ここで、振動波形における強度とノック波形モデルにおける強度とのクランク角ごとの差の絶対値をΔＳ（Ｉ）（Ｉは自然数）とおく。図８において斜線で示すように、ノック波形モデルの振動の強度を比較区間分だけ合計した値、すなわち、比較区間分のノック波形モデルの面積をＳとおく。相関係数Ｋは、下記の式（１）を用いて算出される。
【００４９】
Ｋ＝（Ｓ−ΣΔＳ（Ｉ））／Ｓ・・・（１）
ΣΔＳ（Ｉ）は、比較区間におけるΔＳ（Ｉ）の総和である。
【００５０】
本実施の形態においては、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）より小さい場合、図８において斜線で示すように、比較区間において、ノック波形モデルの強度から正値の基準値を減算した値の合計が、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いられる。すなわち、比較区間において、基準値以上の強度が占める面積が、ノック波形モデルの面積Ｓとして用いられる。一方、エンジン回転数ＮＥがしきい値ＮＥ（１）以上である場合、図９において斜線で示すように、比較区間分のノック波形モデルの面積Ｓの全てを用いて相関係数Ｋが算出される。なお、基準値には、たとえば、第４の周波数帯Ｄの振動波形における強度の最小値が用いられる。なお、相関係数Ｋの算出方法はこれに限らない。
【００５１】
さらに、エンジンＥＣＵ２００は、図１０において斜線で示すように、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形における５度積算値の合計を用いて、ノック強度Ｎを算出する。
【００５２】
合成波形における５度積算値の合計をＰとし、エンジン１００にノッキングが発生していない状態におけるエンジン１００の振動の強度を表わす値をＢＧＬ（Back Ground Level）とおくと、ノック強度Ｎは、Ｎ＝Ｐ／ＢＧＬという方程式で算出される。ＢＧＬは、たとえばシミュレーションや実験などに基づいて予め定められ、ＲＯＭ２０２に記憶される。なお、ノック強度Ｎの算出方法はこれに限らない。
【００５３】
本実施の形態において、エンジンＥＣＵ２００は、算出されたノック強度ＮとＲＯＭ２０２に記憶されたしきい値Ｖ（Ｊ）とを比較し、さらに相関係数ＫとＲＯＭ２０２に記憶されたしきい値Ｋ（０）とを比較して、エンジン１００にノッキングが発生したか否かを１点火サイクルごとに判定する。
【００５４】
図１１を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の機能について説明する。なお、以下に説明する機能はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。
【００５５】
エンジンＥＣＵ２００は、クランク角検出部２１０と、強度検出部２２０と、波形検出部２３０と、設定部２４０と、制限部２５０と、ノッキング判定部２６０とを含む。
【００５６】
クランク角検出部２１０は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角を検出する。
【００５７】
強度検出部２２０は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、ノック検出ゲートにおける振動の強度を検出する。振動の強度は、クランク角に対応させて検出される。また、振動の強度は、ノックセンサ３００の出力電圧値で表される。なお、ノックセンサ３００の出力電圧値と対応した値で振動の強度を表してもよい。
【００５８】
波形検出部２３０は、振動の強度をクランク角で５度分づつ積算することにより、ノック検出ゲートにおける振動波形を検出する。
【００５９】
設定部２４０は、ノック波形モデルを設定する。前述したように、ノック波形モデルにおける強度の最大値が、第４の周波数帯Ｄの振動波形の強度の最大値と同じになるようにノック波形モデルの強度が設定される。ノック波形モデルの減衰率は、エンジン回転数ＮＥおよびエンジン１００の負荷に応じて設定される。図１２に示すように、エンジン回転数ＮＥが小さいほど、減衰率がより大きくなるように設定される。すなわち、エンジン回転数ＮＥが小さいほど、強度がより低下するようにノック波形モデルが設定される。同様に、エンジン１００の負荷が小さいほど、減衰率がより大きくなるように設定される。すなわち、エンジン１００の負荷が小さいほど、強度がより低下するようにノック波形モデルが設定される。なお、エンジン回転数ＮＥおよび負荷のうちのいずれか一方のみを用いて減衰率を設定するようにしてもよい。
【００６０】
前述したように、ノック波形モデルのうち、しきい値Ｖ（０）以下の部分は用いられない。したがって、ノック波形モデルを利用するクランク角の区間は、減衰率に応じて変化する。すなわち、ノック波形モデルを利用するクランク角の区間は、エンジン回転数ＮＥおよび負荷に応じて変化する。
【００６１】
制限部２５０は、ノック波形モデルの強度の減衰量（隣接するクランク角間の強度の差）を制限値ΔＶ（０）以上に制限する。たとえば、図１３において破線で示すように、減衰量が制限値ΔＶ（０）より大きい場合は、実線で示すように減衰量が制限値ΔＶ（０）になるようノック波形モデルが補正される。なお、図１３は、ノック波形モデルの一部を示す。
【００６２】
ノッキング判定部２６０は、ノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）より大きく、かつ相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きい場合、ノッキングが発生したと判定する。一方、ノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）以下である場合、または相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）以下である場合、ノッキングが発生していないと判定される。
【００６３】
ここで、前述した式（１）は、
Ｋ＝１−ΣΔＳ（Ｉ）／Ｓ・・・（２）
と変形できる。
【００６４】
さらに式（２）は、
ΣΔＳ（Ｉ）＝（１−Ｋ）×Ｓ・・・（３）
と変形できる。したがって、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）よりも大きいということは、ΣΔＳ（Ｉ）が（１−Ｋ（０））×Ｓよりも小さいということと同じである。逆に、と変形できる。したがって、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）以下ということは、ΣΔＳ（Ｉ）が（１−Ｋ（０））×Ｓ以上ということと同じである。
【００６５】
図１４を参照して、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵ２００が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、以下に説明するプログラムは、予め定められた周期で（たとえば１点火サイクル毎に）繰り返し実行される。
【００６６】
ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ２００は、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角を検出する。
【００６７】
Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、クランク角に対応させて、エンジン１００の振動の強度を検出する。
【００６８】
Ｓ１０４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノックセンサ３００の出力電圧値（振動の強度を表わす値）を、クランク角で５度ごとに（５度分だけ）積算した５度積算値を算出することにより、エンジン１００の振動波形を検出する。すなわち、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形と、第４の周波数帯Ｄの振動波形が検出される。
【００６９】
Ｓ１０６にて、エンジンＥＣＵ２００は、エンジン回転数ＮＥおよび負荷に応じてノック波形モデルを設定する。Ｓ１０８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック波形モデルにおいて、隣接するクランク角間の強度の減衰量が制限値ΔＶ（０）以上であるか否かを判断する。減衰量が制限値ΔＶ（０）以上であると（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、処理はＳ１１２に移される。もしそうでないと（Ｓ１０８にてＮＯ）、処理はＳ１１０に移される。
【００７０】
Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ２００は、減衰量が制限値ΔＶ（０）より小さい部分の減衰量が制限値ΔＶ（０）になるようノック波形モデルを補正する。
【００７１】
Ｓ１１２にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋを算出する。Ｓ１１４にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノック強度Ｎを算出する。
【００７２】
Ｓ１１６にて、エンジンＥＣＵ２００は、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいか否かを判定する。相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいと（Ｓ１１４にてＹＥＳ）、処理はＳ１１８に移される。もしそうでないと（Ｓ１１６にてＮＯ）、処理はＳ１２２に移される。
【００７３】
Ｓ１１８にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングが発生したと判定する。Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を遅角する。
【００７４】
Ｓ１２２にて、エンジンＥＣＵ２００は、ノッキングが発生していないと判定する。Ｓ１２４にて、エンジンＥＣＵ２００は、点火時期を進角する。
【００７５】
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判定装置であるエンジンＥＣＵ２００の動作について説明する。
【００７６】
エンジン１００の運転中、クランクポジションセンサ３０６から送信された信号に基づいて、クランク角が検出される（Ｓ１００）。ノックセンサ３００から送信された信号に基づいて、クランク角に対応させて、エンジン１００の振動の強度が検出される（Ｓ１０２）。５度積算値を算出することにより、エンジン１００の振動波形が検出される（Ｓ１０４）。
【００７７】
振動波形と比較されるノック波形モデルがエンジン回転数ＮＥおよび負荷に応じて設定される（Ｓ１０６）。前述したように、隣接するクランク角のうちの小さい方のクランク角の強度に対して一定の減衰率で大きい方のクランク角の強度が低下するようにノック波形モデルが定められる。そのため、クランク角が大きくなるほど、隣接するクランク角間の強度の減衰量が小さくなる。
【００７８】
そのため、図１５に示すように、強度の変動が小さい振動波形が検出された場合には、検出された振動波形とノック波形モデルとの差が、特にクランク角が大きい領域において小さくなる。この場合、ノッキングが発生していないにもかかわらず、ノッキングが発生したと誤判定し得る。
【００７９】
そこで、ノック波形モデルにおいて、隣接するクランク角間の強度の減衰量が制限値ΔＶ（０）より大きいと（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、減衰量が制限値ΔＶ（０）より小さい部分の減衰量が制限値ΔＶ（０）になるようノック波形モデルが補正される（Ｓ１１０）。これにより、図１６に示すように、ノック波形モデルにおける強度が必ず低下するようにすることができる。これにより、強度の変動が小さい振動波形とノック波形モデルとの差を大きくすることができる。
【００８０】
隣接するクランク角間の強度の減衰量が制限値ΔＶ（０）以上であると（Ｓ１０８にてＹＥＳ）、設定されたノック波形モデルがそのまま用いられる。
【００８１】
このようにして設定されたノック波形モデルと振動波形とを、強度がしきい値Ｖ（０）より大きいクランク角の区間において比較することにより、相関係数Ｋが算出される（Ｓ１１２）。前述したように、ノック波形モデルと振動波形とを比較する比較区間は、エンジン回転数および負荷に応じて変化し得る。そのため、ノッキングに起因する振動が明確に現れ得るクランク角の区間において、振動波形と波形モデルとを比較することができる。
【００８２】
相関係数Ｋの他、第１の周波数帯Ａ〜第３の周波数帯Ｃの合成波形の強度の合計を用いて、ノック強度Ｎが算出される（Ｓ１１４）。
【００８３】
相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）より大きく、かつノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）よりも大きいと（Ｓ１１６にてＹＥＳ）、ノッキングが発生したと判定される（Ｓ１１８）。この場合、点火時期が遅角される（Ｓ１２０）。
【００８４】
一方、相関係数Ｋがしきい値Ｋ（０）以下であったり、ノック強度Ｎがしきい値Ｖ（Ｊ）以下であったりすると（Ｓ１１６にＮＯ）、ノッキングが発生していないと判定される（Ｓ１２２）。この場合、点火時期が進角される（Ｓ１２４）。
【００８５】
以上のように、本実施の形態に係るノッキング判定装置であるエンジンＥＣＵによれば、振動波形と比較されるノック波形モデルにおける強度の減衰率が、エンジン回転数ＮＥおよび負荷に応じて設定される。ノック波形モデルにおける強度がしきい値Ｖ（０）より大きいクランク角の区間で、ノック波形モデルと振動波形とが比較される。これにより、ノック波形モデルと振動波形とを比較するクランク角の区間がエンジン回転数および負荷に応じて変化するようにすることができる。そのため、ノッキングに起因する振動が明確に現れ得るクランク角の範囲において、振動波形と波形モデルとを比較することができる。
【００８６】
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】
【００８７】
【図１】エンジンを示す概略構成図である。
【図２】ノッキング時にエンジンで発生する振動の周波数帯を示す図である。
【図３】エンジンＥＣＵを示す制御ブロック図である。
【図４】エンジンの振動波形を示す図である。
【図５】振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その１）である。
【図６】ノック波形モデルを示す図（その１）である。
【図７】振動波形とノック波形モデルとを比較する比較区間を示す図である。
【図８】相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その１）である。
【図９】相関係数Ｋを算出するために用いる面積Ｓを示す図（その２）である。
【図１０】ノック強度Ｎを算出するために用いる合成波形の強度の合計を示す図である。
【図１１】エンジンＥＣＵの機能ブロック図である。
【図１２】ノック波形モデルを示す図（その２）である。
【図１３】減衰量の制限値ΔＶ（０）を示す図である。
【図１４】エンジンＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。
【図１５】振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その２）である。
【図１６】振動波形とノック波形モデルとを比較した図（その３）である。
【符号の説明】
【００８８】
１００  エンジン、１０４  インジェクタ、１０６  点火プラグ、１１０  クランクシャフト、１１６  吸気バルブ、１１８  排気バルブ、１２０  ポンプ、２００  エンジンＥＣＵ、２０２  ＲＯＭ、２１０  クランク角検出部、２２０  強度検出部、２３０  波形検出部、２４０  設定部、２５０  制限部、２６０  ノッキング判定部、３００  ノックセンサ、３０２  水温センサ、３０４  タイミングロータ、３０６  クランクポジションセンサ、３０８  スロットル開度センサ、３１４  エアフローメータ、３２０  補機バッテリ。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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