УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИИ
DEVICE TO DETERMINE DETONATION

Перекрестная ссылка на родственную заявку
Эта заявка основана на японской патентной заявке №2007-206378, зарегистрированной 8 августа 2007 года, раскрытие которой включено в данный документ по ссылке.
Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству определения детонации, которое извлекает составляющие вибрационного колебания множества полос частот из выходных данных средства детектирования вибрационного колебания, которое детектирует вибрацию при детонации двигателя внутреннего сгорания, для того, чтобы определять, существует ли детонация.
Уровень техники
В последнее время двигатель внутреннего сгорания для автомобиля снабжается механизмом регулируемых клапанов, таким как механизм регулируемых фаз газораспределения, и двигатель с непосредственным впрыском изменяет момент впрыска топлива согласно режиму сгорания для того, чтобы достигать высокой выходной мощности, низкого потребления топлива и низкого выброса газов. Шумы седла клапана от впускных/выпускных клапанов и шум от движения топливного инжектора накладываются на выходной сигнал датчика детонации, который детектирует вибрацию при детонации. Так как момент возникновения этих шумов изменяется согласно регулируемому состоянию двигателя внутреннего сгорания, трудно различать детонацию из этих шумов.
Как показано в JP-2007-9814A (US-2007/0012090A1), составляющие вибрационного колебания множества полос частот, где возникают колебания, свойственные вибрации при детонации, извлекаются из выходного сигнала датчика детонации посредством множества полосных фильтров. Эти составляющие вибрационного колебания множества полос частот синтезируются. На основе сложных вибрационных колебаний определяется, существует ли детонация.
Как описано выше, так как момент, в который шум накладывается на выходной сигнал датчика детонации, изменяется согласно регулируемому состоянию двигателя, даже если составляющие вибрационного колебания множества полос частот, где колебания, свойственные вибрации при детонации, возникают, извлекаются из выходного сигнала датчика детонации в диапазоне определения детонации (диапазон углов поворота коленчатого вала от ВМТ в рабочем такте до угла 90° после ВМТ CA), шум может накладываться на любой из составляющих вибрационного колебания множества полос частот, которые извлекаются в диапазоне определения детонации.
Так как составляющие вибрационного колебания множества полос частот, которые извлекаются из выходного сигнала датчика детонации, просто синтезируются, если шум накладывается на составляющую вибрационного колебания любых полос частот, шум накладывается на сложное вибрационное колебание в неизменном виде, что делает трудным различение детонации из шума.
JP-2006-169996A (US-7181338B2) показывает меры противодействия, в которых определяется, существует ли шум в каждой полосе частот, и когда шум детектируется в каких-либо полосах частот, определение детонации запрещается. Однако если определение детонации запрещено, когда детонация фактически возникает, такая детонация не может быть детектирована.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение выполнено, принимая во внимание вышеупомянутые вопросы, и целью настоящего изобретения является предоставление устройства определения детонации для двигателя внутреннего сгорания, которое может уменьшать влияние шума и выполнять точное определение детонации, даже если шум накладывается на какую-либо из составляющих вибрационного колебания множества полос частот, которые извлекаются из выходных сигналов средства детектирования вибрационного колебания, такого как датчик детонации.
Для того чтобы достигать вышеупомянутой цели, согласно настоящему изобретению устройство определения детонации для двигателя внутреннего сгорания включает в себя: средство детектирования вибрационного колебания для вывода сигнала вибрационного колебания согласно вибрации при детонации двигателя внутреннего сгорания; средство фильтрации для извлечения составляющих вибрационного колебания множества полос частот из сигнала вибрационного колебания средства детектирования вибрационного колебания; средство определения интенсивности шума для определения интенсивности шума, который накладывается на составляющие вибрационного колебания относительно каждой полосы частот; средство синтезирования для синтезирования составляющих вибрационного колебания множества полос частот так, что формируется сложное вибрационное колебание; и средство определения детонации для выполнения определения детонации на основе сложного вибрационного колебания.
Составляющую вибрационного колебания множества полос частот синтезируют посредством взвешивания согласно степени влияния интенсивности шума каждой полосы частот.
Согласно настоящему изобретению составляющие вибрационного колебания каждой полосы частот синтезируют посредством взвешивания согласно степени влияния интенсивности шума каждой полосы частот. Даже если шум накладывается на составляющие вибрационного колебания какой-либо из полос частот, составляющие вибрационного колебания каждой полосы частот могут быть синтезированы, снижая степень влияния шума, и точное определение детонации может быть выполнено на основе сложного вибрационного колебания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схематическим видом системы управления двигателем согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 является блок-схемой, показывающей схему, которая обрабатывает выходные сигналы датчика детонации.
Фиг.3 является схемой для объяснения функционирования блока определения детонации.
Фиг.4 является схемой для объяснения соотношения между диапазоном определения детонации и шумом седла клапана.
Фиг.5 является схемой, показывающей колебания, в которых шум накладывается на составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются из выходного сигнала датчика детонации, и колебания, в которых шум не накладывается на составляющие вибрационного колебания.
Фиг.6 является блок-схемой последовательности операций, показывающей процесс программы определения детонации.
Оптимальные режимы осуществления изобретения
Вариант осуществления настоящего изобретения будет описан далее в данном документе.
Обращаясь к фиг.1, объясняется система управления двигателем. Воздухоочиститель 13 размещен перед впускной трубой 12 двигателя 11 внутреннего сгорания. Расходомер 14 воздуха, детектирующий расход всасываемого воздуха, предусмотрен после воздухоочистителя 13. Дроссельный клапан 15, приводимый в действие электродвигателем 10, и датчик 16 положения дросселя, детектирующий положение дросселя, предусмотрены после расходометра 14 воздуха.
Сглаживающий ресивер 17, включающий в себя датчик 18 давления всасываемого воздуха, предусмотрен после дроссельного клапана 15. Датчик 18 давления всасываемого воздуха детектирует давление всасываемого воздуха. Впускной коллектор 19 соединяется со сглаживающим ресивером 17. Топливный инжектор 20 установлен на каждом цилиндре для впрыска топлива внутрь цилиндра соответственно. Свеча 21 зажигания установлена на головке цилиндра двигателя 11 соответственно для каждого цилиндра, чтобы поджигать воздушно-топливную смесь в каждом цилиндре.
Двигатель 11 снабжен контроллером 31 синхронизации впускных клапанов, который регулирует фазу газораспределения впускного клапана 29, и контроллером 32 синхронизации выпускных клапанов, который регулирует фазу газораспределения выпускного клапана 30.
Выпускная труба 22 двигателя 11 снабжена трехкомпонентным нейтрализатором 23, очищающим CO, HC, NOx и т.п. в выхлопном газе. Датчик 24 выхлопного газа, детектирующий соотношение воздух-топливо или обогащение/обеднение выхлопного газа, расположен перед трехкомпонентным нейтрализатором 23. Датчик 28 детонации (средство детектирования вибрационного колебания), детектирующий вибрацию при детонации, и датчик 26 угла поворота коленчатого вала, выводящий импульсный сигнал при каждом предварительно определенном угле поворота коленчатого вала двигателя 11, расположены в блоке цилиндров двигателя 11. Угол поворота коленчатого вала и скорость вращения двигателя детектируются на основе выходного сигнала датчика 26 угла поворота коленчатого вала.
Выходные данные от вышеуказанных датчиков вводятся в электронный блок 27 управления, который называется ЭБУ далее в данном документе. ЭБУ 27 включает в себя микрокомпьютер, который выполняет программу управления двигателем, сохраненную в постоянном запоминающем устройстве (ROM), чтобы управлять величиной впрыска топливного инжектора 20 и моментом зажигания свечи 21 зажигания.
Как показано на фиг.2, ЭБУ 27 включает в себя A/D-преобразователь 35, с первого по четвертый полосные фильтры 36-39 (средство фильтрации) и блок 40 определения детонации (средство определения детонации). A/D-преобразователь 35 преобразует сигналы вибрационного колебания, выведенные из датчика 28 детонации, в цифровые значения. С первого по четвертый полосные фильтры 36-39 извлекают составляющие вибрационного колебания четырех полос f1-f4 частот из выходных сигналов A/D-преобразователя 35. Блок 40 определения детонации синтезирует составляющие вибрационного колебания четырех полос f1-f4 частот и определяет, существует ли детонация, на основе сложного вибрационного колебания.
Полосы частот, которые с первого по четвертый полосные фильтры 36-39 извлекают, состоят из полосы f1 частот первого порядка (основная полоса частот вибрации при детонации) и полос f2-f4 частот второго-четвертого порядков. Полоса f1 частот первого порядка (полоса частот, проходящая через первый полосный фильтр 36) устанавливается так, чтобы включать в себя основную частоту, которая является самой низкой частотой в частоте вибрации при детонации (резонансная частота первого порядка, зависящая от диаметра цилиндра, например, около 7,5 кГц). Полосы f2-f4 частот второго-четвертого порядков (полосы частот, проходящие через второй-четвертый полосные фильтры 37-39) устанавливаются так, чтобы включать в себя резонансные частоты второго-четвертого порядков (например, около 12 кГц, 17 кГц, 21 кГц).
В этом варианте осуществления диапазон определения детонации, в котором составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков извлекаются из выходных сигналов датчика 28 детонации, устанавливается в диапазоне угла поворота коленчатого вала от ВМТ (верхняя мертвая точка) в рабочем такте до угла 90° после ВМТ CA. Шум седла клапана впускных/выпускных клапанов 29, 30 и шум от движения топливного инжектора 20, которые накладываются на выходные сигналы датчика 28 детонации, изменяются по времени их формирования согласно регулируемому состоянию двигателя 11 (ссылка на фиг.4). Следовательно, даже если составляющие вибрационного колебания множества полос частот, в которых колебание, свойственное вибрации при детонации, формируется, извлекаются из выходных сигналов датчика 28 детонации, шум может накладываться на некоторые из составляющих вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются в диапазоне определения детонации, как показано на фиг.5.
В традиционном способе определения детонации составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков просто синтезируются. Если шум накладывается на некоторые из составляющих вибрационного колебания полос частот, шум накладывается на сложное вибрационное колебание в неизменном виде, так что может быть трудно различить детонацию из шума.
В этом варианте осуществления, как показано на фиг.3, блок 40 определения детонации функционирует как средство определения интенсивности шума, которое определяет интенсивность шума, который накладывается на составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются первым-четвертым полосными фильтрами 36-39. Блок 40 определения детонации функционирует так же, как синтезирующее средство, которое синтезирует составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков посредством взвешивания согласно влиянию от интенсивности шума каждой полосы частот, так что формируется сложное вибрационное колебание. Конкретно, при синтезировании составляющих вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков весовые коэффициенты G1-G4, которые умножают составляющую вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот, делаются меньше по мере того, как интенсивность шума каждой полосы f1-f4 частот увеличивается.
Определение интенсивности шума каждой полосы f1-f4 частот может выполняться согласно одному из следующих способов.
[Способ (1) определения интенсивности шума]
Относительно каждого зажигания в каждом цилиндре составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются из выходного сигнала датчика 28 детонации в диапазоне определения детонации, объединяются. Объединенное значение (область) сохраняется в памяти ЭБУ 27. С помощью этого, как показано на фиг.3, подготавливаются данные временного ряда объединенного значения составляющих вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот для каждого зажигания. Эти данные временного ряда используются в качестве индексов, указывающих интенсивность шума каждой полосы f1-f4 частот.
[Способ (2) определения интенсивности шума]
Момент формирования шума (например, шума от работы топливного инжектора 20 или шума седла клапана впускных/выпускных клапанов) оценивается на основе заданного заранее значения управления регулируемыми фазами газораспределения или заданного момента впрыска топлива, так что диапазон углов поворота коленчатого вала, в котором формируется шум, определяется как диапазон определения интенсивности шума. Составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются из выходных сигналов датчика 28 детонации в диапазоне определения интенсивности шума, соответственно объединяются. Объединенные значения (область) используются в качестве индексов, указывающих интенсивность шума.
[Способ (3) определения интенсивности шума]
В диапазоне, отличном от диапазона определения детонации, диапазон, где шум имеет тенденцию формироваться, задается как диапазон определения интенсивности шума. Составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются из выходных сигналов датчика 28 детонации в диапазоне определения интенсивности шума, соответственно объединяются. Объединенные значения (область) используются в качестве индексов, указывающих интенсивность шума.
[Способ (4) определения интенсивности шума]
Относительно составляющих вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков, которые извлекаются из выходного сигнала датчика 28 детонации в диапазоне определения детонации при каждом зажигании, пиковое значение извлекается как параметр, указывающий характеристику шума (например, шум от работы топливного инжектора 20 или шум от седла клапана впускного/выпускного клапанов). Среднее и отклонение пикового значения вычисляются. Максимальное среднее выбирается в качестве среднего значения, которое является общим для всех полос f1-f4 частот. Интенсивность шума определяется на основе соотношения между отклонением и максимальным средним относительно каждой полосы частот. Коэффициент корреляции формы, который представляет корреляцию между выходным колебанием датчика 28 детонации и идеальным колебанием при детонации, свойственным детонации, может использоваться в качестве параметра, указывающего характеристику шума вместо пикового значения.
Определение детонации, описанное выше, выполняется согласно программе определения детонации, показанной на фиг.6, которая выполняется блоком 40 определения детонации ЭБУ 27.
Программа определения детонации, показанная на фиг.6, выполняется в периоде выборки выходных данных датчика 28 детонации, в то время как в ЭБУ 27 подается питание. На этапе 100 компьютер определяет, находится ли он в диапазоне определения детонации (от ВМТ в рабочем такте до угла 90° после ВМТ CA). Когда он не находится в диапазоне определения детонации, программа завершается. Когда он находится в диапазоне определения детонации, процедура переходит к этапу 101, в котором выходной сигнал датчика 28 детонации A/D-преобразуется A/D-преобразователем 35, и вибрация блока цилиндров двигателя 11 детектируется.
Затем процедура переходит к этапу 102, на котором A/D-преобразованное значение выходного сигнала датчика 28 детонации фильтруется через первый-четвертый полосные фильтры 36-39, чтобы извлекать составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков. На этапе 103 составляющие вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот соответственно объединяются. Объединенное значение для каждого указанного угла поворота коленчатого вала (например, 5° CA) сохраняется в памяти ЭБУ 27.
Затем процедура переходит к этапу 104, на котором компьютер определяет, является ли это моментом окончания диапазона определения детонации. Когда это не является моментом окончания диапазона определения детонации, программа завершается. Таким образом, до момента окончания объединенное значение каждой полосы f1-f4 частот для каждого указанного угла поворота коленчатого вала неоднократно вычисляется.
Затем в момент окончания диапазона определения детонации процедура переходит к этапу 105, в котором интенсивность шума каждой частоты f1-f4 определяется согласно любому из способов, описанных выше. На этапе 106 весовые коэффициенты G1-G4 каждой полосы f1-f4 частот, которые используются для синтезирования объединенных значений каждой полосы f1-f4 частот для каждого указанного угла поворота коленчатого вала, определяются таким образом, чтобы быть меньше по мере того, как интенсивность шума становится больше.
Затем процедура переходит к этапу 107, в котором объединенные значения каждой полосы f1-f4 частот для каждого указанного угла (5° CA) поворота коленчатого вала умножаются на весовые коэффициенты G1-G4, чтобы быть синтезированными, так что сложное вибрационное колебание получается для каждого указанного угла поворота коленчатого вала.
Сложное вибрационное колебание = f1×G1+f2×G2+f3×G3+f4×G4.
На этапе 108 сложное вибрационное колебание (объединенное значение) для каждого указанного угла поворота коленчатого вала канонизируется. Канонизация представляет то, что сложное вибрационное колебание (объединенное значение) делится на пиковое значение P, так что интенсивность вибрации представляется безразмерным числом (например, безразмерным числом 0-1). Пиковое значение P является максимальным значением объединенного значения сложного вибрационного колебания. Детектируемое сложное вибрационное колебание может быть сравнено с предварительно сохраненным идеальным колебанием при детонации (вибрационным колебанием, свойственным детонации) безотносительно интенсивности вибрации за счет канонизации. Таким образом, необязательно хранить множество идеальных колебаний, соответствующих интенсивности вибрации, посредством чего идеальное колебание при детонации легко подготавливается.
Затем процедура переходит к этапу 109, на котором коэффициент корреляции формы, который представляет совпадение между канонизированным сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации, вычисляется следующим образом. Момент (пиковое положение), при котором уровень канонизированного сложного вибрационного колебания становится максимальным, становится совпадающим с моментом, при котором интенсивность вибрации идеального колебания при детонации становится максимальной. Абсолютное значение ΔS(I) разности между сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации вычисляется для каждого указанного угла поворота коленчатого вала (например, 5° CA).
Затем на основе суммирования ∑∆S(I) абсолютного значения ΔS(I) и объединенного значения S идеального колебания при детонации коэффициент K корреляции формы вычисляется согласно следующему уравнению:
K={S-∑∆S(I)}/S.
Таким образом, совпадение (сходство) между канонизированным сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации численно выражается, чтобы определять вибрацию объективно. Сравнивая сложное вибрационное колебание и идеальное колебание при детонации, может быть анализировано то, является ли это вибрацией при детонации, на основе характера вибрации, такого как тенденция к ослаблению вибрации.
Затем процедура переходит к этапу 110, на котором коэффициент K корреляции формы больше, чем указанное значение. Когда компьютер определяет, что коэффициент K корреляции формы меньше или равен указанному значению (т.е. совпадение между сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации в диапазоне определения детонации является низким), на этапе 110, процедура переходит к этапу 113, на котором компьютер определяет, что детонация не возникает, чтобы сдвинуть момент зажигания в сторону опережения.
Когда компьютер определяет, что коэффициент K корреляции формы больше, чем указанное значение (т.е. совпадение между сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации в диапазоне определения детонации является высоким), на этапе 110, процедура переходит к этапу 111, на котором интенсивность N детонации вычисляется с помощью пикового значения P объединенного значения сложного вибрационного колебания для каждого указанного угла поворота коленчатого вала, коэффициента K корреляции формы и фонового уровня BGL.
N=P×K/BGL
В вышеуказанном уравнении фоновый уровень BGL представляет интенсивность вибрации двигателя 11 в ситуации, когда детонация не возникает. Таким образом, может быть подробно проанализировано, вызвана ли вибрация двигателя 11 детонацией, на основе степени совпадения между сложным вибрационным колебанием и идеальным колебанием при детонации и интенсивности вибрации.
Затем процедура переходит к этапу 112, на котором интенсивность N детонации больше, чем значение определения детонации. Когда интенсивность N детонации меньше или равна значению определения детонации, процедура переходит к этапу 113, на котором компьютер определяет, что детонация не возникает, чтобы сдвинуть момент зажигания в сторону опережения.
Когда компьютер определяет, что интенсивность N детонации больше, чем значение определения детонации, процедура переходит к этапу 114, на котором компьютер определяет, что детонация возникает, чтобы сдвинуть момент зажигания в сторону запаздывания. Таким образом, возникновение детонации ограничивается.
Согласно настоящему варианту осуществления выходной сигнал датчика 28 детонации фильтруется через первый-четвертый полосные фильтры 36-39, чтобы извлекать составляющие вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков. Так как составляющие вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот синтезируются посредством взвешивания согласно степени воздействия интенсивности шума каждой полосы f1-f4 частот, даже если шум накладывается на составляющие вибрационного колебания какой-либо из полос частот, составляющие вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот могут быть синтезированы, уменьшая влияние шума, и может быть выполнено точное определение детонации на основе сложного вибрационного колебания.
Кроме того, согласно настоящему варианту осуществления при синтезировании составляющих вибрационного колебания полос f1-f4 частот первого-четвертого порядков весовые коэффициенты G1-G4, которые умножают составляющую вибрационного колебания каждой полосы f1-f4 частот, делаются меньше по мере того, как интенсивность шума каждой полосы f1-f4 частот увеличивается. Следовательно, влияние интенсивности шума каждой полосы f1-f4 частот может быть уменьшено, по существу, до одинакового уровня посредством взвешивания, и соответствующее взвешивание может быть выполнено согласно интенсивности шума каждой полосы f1-f4 частот.
В настоящем варианте осуществления составляющие вибрационного колебания четырех полос f1-f4 частот извлекаются из выходного сигнала датчика 28 детонации. Альтернативно, могут быть извлечены составляющие вибрационного колебания трех или менее полос частот или пяти или более полос частот.
Настоящее изобретение не ограничено двигателем с прямым впрыском топлива, который показан на фиг.1, а может быть применено также к двигателю с впрыском топлива через впускной коллектор. Настоящее изобретение может быть применено к двигателю, который снабжен контроллером регулируемых клапанов, таким как контроллер регулируемых фаз газораспределения. Настоящее изобретение может быть осуществлено другими способами без отступления от духа изобретения.