JP6872162B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関をノッキングの発生に応じて制御可能に構成される内燃機関の制御装置に関する。

レシプロエンジン等の内燃機関においては、気筒内で生じた衝撃波等に起因してノッキングが発生し、ノッキングによってピストンの焼き付き、損傷等が生じるおそれがある。そのため、ノッキングが発生した場合、内燃機関の制御装置が、これを検知し、かつ検知後直ぐに、ノッキングを解消するように内燃機関を制御しており、このような制御においては、ノッキングを確実に解消すべく、ノッキングの判定精度を向上させることが求められる。

そこで、ノッキングの判定精度を向上させるべく、内燃機関の制御装置の一例として、ノックセンサにより検出された検出信号にＤＦＴ（Discrete Fourier Transform、離散フーリエ解析）、ＳＴＦＴ（Short-Time Fourier Transform、短時間フーリエ変換）等を適用することによって振動波形を取得し、さらに、取得した複数の振動波形の平均値を算出し、振動波形から平均値を減算した波形のピーク値を用いてノック判定閾値を設定し、ピーク値とノック判定閾値と比較することによって、内燃機関にノッキングが発生したか否かを判定する技術が提案されている。（例えば、特許文献１を参照。）

特開２０１４−３４８８８号公報

しかしながら、上記制御装置の一例においては、ＤＦＴ、ＳＴＦＴ等の処理を行うので、演算負荷が高くなっている。また、複数のサイクルにおける振動波形の平均値を用いてノック判定閾値を算出し、かつノック判定閾値が継続的に更新されるので、ノック判定閾値の設定のためにさらに演算負荷が高くなっている。そのため、このような処理及び設定に多くの時間が必要になり、その結果、ノッキングの判定に多くの時間が必要になるので、ノッキングを解消するための応答性を十分に確保できないおそれがある。

よって、内燃機関の制御装置においては、ノッキングの判定精度を確保し、ノッキングを解消するための応答性を向上させ、かつノッキングを確実に解消することが望まれる。

課題を解決するために、本発明の一態様に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関における気筒の燃焼室内の燃焼圧力を検出可能とするように前記気筒にその外側から接触し、かつ前記燃焼圧力に応じて圧力信号を出力するように構成される座金型の圧力センサと、前記内燃機関のクランクシャフトのクランク角を取得するように構成されるクランク角取得部とを備え、前記内燃機関を前記気筒内のノッキングの発生に応じて制御可能に構成される内燃機関の制御装置であって、前記圧力信号を前記クランク角に関連付けた角度−圧力信号を算出するように構成される角度−圧力信号算出部と、前記角度−圧力信号を用いて、前記気筒内のノッキング強度の推定値を算出するように構成されるノッキング強度推定部と、前記ノッキング強度の推定値に基づいて、前記気筒内でノッキングが発生したか否かを判定するように構成されるノッキング判定部とを備え、前記ノッキング強度推定部が、前記角度−圧力信号に基づいて、前記燃焼室内の各燃焼サイクルにて、前記クランク角の一定区間にて変化する前記角度−圧力信号の強度の割合である複数の変化率を算出するように構成される変化率算出部と、前記燃焼室内の各燃焼サイクルにおける前記複数の変化率のうち１つの選別変化率を選別するように構成される変化率選別部と、前記選別変化率を用いて、前記ノッキング強度の推定値を算出するように構成される強度推定値算出部とを有する。

本発明の一態様に係る内燃機関の制御装置によれば、ノッキングの判定精度を向上させることができ、ノッキングを解消するための応答性を向上させることができ、かつノッキングを確実に解消することができる。

本発明の実施形態に係るガソリン直噴エンジンの制御装置を含む制御システムを示す模式図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明の実施形態に係る制御装置の構成図である。 本発明の実施形態にて、ガソリン直噴エンジンの１つの気筒にて得られる典型的な角度−圧力信号を概略的に示す図である。 （ａ）は、筒内圧力センサを用いて得られる筒内角度−圧力信号を概略的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の筒内角度−圧力信号に対してハイパスフィルタ処理を施すことによって得られたフィルタ角度−圧力信号を概略的に示す図であり、かつ（ｃ）は、（ｂ）のフィルタ角度−圧力信号を絶対値化することによって得られた絶対角度−圧力信号を概略的に示す図である。 筒内圧力センサを用いて得られる筒内角度−圧力信号を圧縮工程から燃焼行程に渡って概略的に示す図である。 座金センサを用いて得られる角度−圧力信号を圧縮工程から燃焼行程に渡って概略的に示す図である。 本発明の実施形態におけるノッキング強度の推定値と聴覚的な強度レベルとの関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る制御方法を説明するためのフローチャートである。 実施例１の最大変化率と比較例１の筒内最大変化率との相関図である。 比較例１におけるノッキング強度と筒内最大変化率との相関図である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の制御装置を含む制御システムについて以下に説明する。なお、好ましい一例として、本実施形態に係る制御装置により制御される内燃機関は、自動車に搭載される自然吸気方式のガソリン直噴エンジンとする。また、内燃機関は、火花点火方式のレシプロエンジンであればよく、例えば、かかるレシプロエンジンは、ＰＦＩ（Port Fuel Injection、吸気ポート燃料噴射）方式のガソリンエンジン、ＮＶＯ（Negative Valve Overlap）方式又はポート噴射方式のＨＣＣＩエンジン、ディーゼルエンジン、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas、圧縮天然ガス）エンジンであってもよい。

なお、レシプロエンジンは、特に、４ストローク方式のものであると好ましい。しかしながら、レシプロエンジンは、２ストローク方式のものとすることもできる。レシプロエンジンは、特に、複数の気筒を有すると好ましい。しかしながら、レシプロエンジンは、単気筒のものとすることもできる。内燃機関は、自動車以外の車両に搭載されてもよく、例えば、内燃機関は、自動二輪車に搭載されてもよい。内燃機関はまた、発電用の内燃機関、各種作業機械等に搭載される汎用エンジン、船内機、船外機、船内外機等であってもよい。

［制御システムの概略について］
最初に、制御システムの概略について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る制御システムは、ガソリン直噴エンジン（以下、単に「エンジン」という）１と、自動車のアクセル操作部として構成されるアクセルペダル２と、エンジン１を制御可能に構成される制御装置３とを備える。エンジン１は複数の気筒１１を有し、図１においては、エンジン１における複数の気筒１１のうち１つの断面が模式的に示されている。

アクセル操作部は、アクセルペダル以外であってもよく、特に、自動二輪車の場合、アクセル操作部はアクセルグリップであるとよい。制御装置３は、エンジン１の制御に用いられる制御ユニットとして構成されるＥＣＵ（Engine Control Unit）３１と、各気筒１１に取り付けられる座金型の圧力センサ（以下、「座金センサ」という）３２とを有する。

ＥＣＵ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ等の電子部品、かかる電子部品等を配置した電気回路等を含むように構成されると好ましい。また、座金センサ３２は圧電素子（図示せず）を有し、特に図２に断面を示すように、座金センサ３２は略リング形状に形成されている。かかる座金センサ３２が、各気筒１１の燃焼室１２内の燃焼圧力を検出可能とするように各気筒１１にその外側から接触した状態で取り付けられている。なお、座金センサ３２は、複数の気筒１１のうち少なくとも１つに取り付けられていればよいが、特に、座金センサ３２は複数の気筒１１の全てに取り付けられると好ましい。

このような制御システム及びその制御装置３は、ノッキングの判定精度及びノッキングに対する応答性を高めることができ、かつノッキングを確実に解消できるように、座金センサ３２によって検出された燃焼圧力を用いて気筒１１のノッキングの発生を検知する構成となっている。また、制御システム及びその制御装置３は、ノッキングを解消できるようにエンジン１を制御可能とする構成となっている。

［エンジンの詳細について］
ここで、図１を参照してエンジン１の詳細について説明する。エンジン１の複数の気筒１１はシリンダブロック１３によって画定されている。エンジン１は、各気筒１１内をその軸線方向に往復運動可能に構成されるピストン１４を備える。各気筒１１の頂部側にはシリンダヘッド１５が配置されている。燃焼室１２は、気筒１１とピストン１４とシリンダヘッド１５とによって囲まれている。

シリンダブロック１３に対して気筒１１の底部側にはクランクケース１６が配置され、クランクケース１６内にはクランクシャフト１７が配置されている。各気筒１１内のピストン１４は、コネクティングロッド１８を介してクランクシャフト１７に連結されている。ピストン１４の往復運動はクランクシャフト１７の回転運動に変換されるようになっている。

シリンダヘッド１５には、燃焼室１２内で火花放電を可能とするように構成される点火プラグ１９が取り付けられている。また、シリンダヘッド１５には吸気ポート２０及び排気ポート２１が接続されている。吸気ポート２０は、シリンダヘッド１５との接続部にて燃焼室１２に向けて開口する吸気開口部２０ａを有し、かつ排気ポート２１は、シリンダヘッド１５との接続部にて燃焼室１２に向けて開口する排気開口部２１ａを有する。吸気ポート２０は、空気を燃焼室１２に送る経路を画定し、かつ排気ポート２１は、燃焼室１２内の燃焼後に発生する排気ガスを触媒（図示せず）に向けて送る経路を画定している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ＰＦＩ方式のエンジンの場合には、吸気ポートが、燃料及び空気を含む予混合気を燃焼室に送る経路を画定するとよい。さらに、吸気開口部２０ａは吸気バルブ２２によって開閉可能になっており、かつ排気開口部２１ａは排気バルブ２３によって開閉可能になっている。

吸気ポート２０に対して空気流の上流側にはスロットルバルブ２４が配置されており、スロットルバルブ２４は、吸気ポート２０から燃焼室１２に送られる空気の流量を調節可能とするように構成されている。シリンダヘッド１５にはまた、直噴用インジェクタ２５が取り付けられており、直噴用インジェクタ２５は、燃焼室１２内に燃料を直接噴射するように構成されている。

エンジン１においては、吸気ポート２０から送られる空気と直噴用インジェクタ２５から噴射される燃料とによって、燃焼室１２内にて混合気を生成できるようになっている。また、エンジン１は、点火プラグ１９を用いて燃焼室１２内にて火花放電を発生させることによって燃焼のための火炎核を発生させるように構成されている。

特に、４ストローク方式であるエンジン１の１回の燃焼サイクルにおいては、燃焼行程ＳＴ１、排気行程ＳＴ２、吸気行程ＳＴ３、及び圧縮行程ＳＴ４がかかる順番にて行われる。１回の燃焼サイクルにおいて、クランクシャフト１７は２回転する。そのため、１回の燃焼サイクルにおいて、クランクシャフト１７のクランク角は原則的には７２０°変化し、基本的には、燃焼行程ＳＴ１、排気行程ＳＴ２、吸気行程ＳＴ３、及び圧縮行程ＳＴ４のそれぞれにおいて、クランクシャフト１７のクランク角は原則的には１８０°変化する。

［制御装置の詳細について］
次に、制御装置３の詳細について説明する。特に図２に示すように、座金センサ３２は、シリンダヘッド１５と点火プラグ１９との間にて締め付けられている。そのため、燃焼室１２内での燃焼に起因して振動が発生すると、かかる振動によって座金センサ３２の締付荷重が圧縮方向又は弛緩方向に変化し、締付荷重の変化によって圧電素子の表面電位が変化する。座金センサ３２は、圧電素子の表面電位の変化に応じた電荷信号（以下、「圧力信号」という）を出力する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、座金センサは、気筒の燃焼室内の燃焼圧力を検出可能であれば、シリンダヘッドと点火プラグ以外の部材との間に締め付けられてもよい。かかる座金センサ３２は、燃焼室１２内の燃焼圧力に応じて圧力信号を生成することができる。

図１に示すように、制御装置３はまた、クランクシャフト１７のクランク角を検出可能なクランク角検出部として構成されるクランク角センサ３３を有する。クランク角センサ３３は、クランクシャフト１７の回転速度、すなわち、エンジン１の回転速度を検出することもできる。クランク角センサ３３は、特に、クランクシャフト１７に取り付けられたタイミングロータ（図示せず）の回転角度及び回転速度を非接触式に検出可能に構成され、かつタイミングロータの周囲に配置されると好ましい。

さらに、制御装置３は、スロットルバルブ２４の開度を検出可能なスロットル開度検出部として構成されるスロットル開度センサ３４と、アクセルペダル２の操作量を検出可能なアクセル操作量検出部として構成されるアクセルセンサ３５とを有する。制御装置３はまた、吸気ポート２０内の空気の圧力を検出可能な吸気圧検出部として構成される吸気圧センサ３６と、燃焼室１２から排気ポート２１に送られた排気ガス中の酸素濃度及び未燃ガス濃度に基づいて燃焼室１２内の混合気の空燃比を検出可能な空燃比検出部として構成されるＬＡＦセンサ（Linear Air-Fuel ratio sensor）３７とを有する。吸気圧センサ３６は、吸気バルブ２２とスロットルバルブ２４との間の吸気ポート２０上に配置されている。ＬＡＦセンサ３７は排気ポート２１上に配置されている。

［ＥＣＵの詳細について］
図３を参照して制御装置３のＥＣＵ３１の詳細について説明する。座金センサ３２から送られる圧力信号は微弱であるので、ＥＣＵ３１は、この圧力信号を受け取り、かつ圧力信号を増幅するように構成される圧力信号増幅部４１を有する。圧力信号増幅部４１は座金センサ３２と電気的に接続されている。

ＥＣＵ３１は、圧力信号増幅部４１により増幅された圧力信号を取得可能に構成される圧力信号取得部４２と、クランク角センサ３３から送られるクランク角の検出値θを取得するように構成されるクランク角取得部４３とを有する。ＥＣＵ３１はまた、圧力信号取得部４２により取得された圧力信号をクランク角取得部４３により取得されたクランク角の検出値θに関連付けた角度−圧力信号を算出するように構成される角度−圧力信号算出部４４を有する。

角度−圧力信号算出部４４は、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３の両方を閉じた状態に対応するクランク角の検出値θの範囲内で角度−圧力信号を算出すると好ましい。なお、典型的には、吸気下死点から排気下死点までの間に吸気バルブ２２及び排気バルブ２３の両方が閉じる。さらには、角度−圧力信号算出部４４は、点火プラグ１９の点火開始時期から起算したクランク角の検出値θの範囲で角度−圧力信号を算出すると好ましく、特に、角度−圧力信号算出部４４は、点火開始時期から燃焼終了時期までの期間に対応するクランク角の検出値θの範囲で、角度−圧力信号を算出するとより好ましい。角度−圧力信号算出部４４はまた、点火開始時期からそれ以降最初に現れる角度−圧力信号の最大ピークまでの期間で、角度−圧力信号を算出するとより好ましい。

ここで、典型的な角度−圧力信号の概略を図４に示す。なお、図４において、横軸θはクランク角の検出値θ（°）を示し、縦軸Ｉは角度−圧力信号の強度Ｉ（Ｖ）を示し、かつ実線Ｌ１が角度−圧力信号を示す。気筒１１内においては、クランク角の検出値θが原則的に０°〜１８０°の範囲にあるときに燃焼行程ＳＴ１が行われ、クランク角の検出値θが原則的に１８０°〜３６０°の範囲にあるときに排気行程ＳＴ２が行われ、クランク角の検出値θが原則的に３６０°〜５４０°の範囲にあるときに吸気行程ＳＴ３が行われ、かつクランク角の検出値θが原則的に５４０°〜７２０°の範囲にあるときに圧縮行程ＳＴ４が行われる。この場合、クランク角の検出値θが原則的に１８０°である状態が排気下死点に相当し、クランク角の検出値θが原則的に５４０°である状態が吸気下死点に相当する。このような角度−圧力信号は、圧縮行程ＳＴ４から燃焼行程ＳＴ１に渡る期間にて突出するパルス波形を有する。かかるパルス波形は燃焼行程ＳＴ１にて最大ピークに達する。

再び図３を参照すると、ＥＣＵ３１は、所定の遮断周波数よりも高い周波数の成分を逓減するフィルタ処理を、角度−圧力信号算出部４４から送られる角度−圧力信号に施すように構成されるフィルタ部４５を有すると好ましい。フィルタ部４５は、ローパスフィルタ処理又はバンドパスフィルタ処理を実施するように構成されている。遮断周波数は、ＦＦＴ解析（Fast Fourier Transform Analysis、高速フーリエ変換解析）等の手法を用いて、エンジンの駆動振動等に起因するノイズ信号の周波数帯域を確認した上で設定されるとよい。例えば、ノイズ信号の周波数帯域が約１００Ｈｚ〜５００Ｈｚであることが確認された場合、遮断周波数は約１００Ｈｚに設定されるとよい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、遮断周波数は、ノイズ信号を除去でき、かつ燃焼室内の燃焼に起因する角度−圧力信号を精度良く抽出できれば、その他の値になっていてもよい。

ＥＣＵ３１は、角度−圧力信号算出部４４からフィルタ部４５を経由して送られる角度−圧力信号を用いて、気筒１１内のノッキング強度（Knocking Intensity）の推定値Ｋを算出するように構成されるノッキング強度推定部４６と、このノッキング強度推定部４６により算出されたノッキング強度の推定値Ｋを用いて、気筒１１内でノッキングが発生したか否かを判定するように構成されるノッキング判定部４７とを有する。

本実施形態では、ノッキング強度は、筒内圧力センサにより取得される角度−圧力信号（以下、「筒内角度−圧力信号」という）にハイパスフィルタ処理を施し、かつ絶対値化したものの最大振幅値として定義する。なお、筒内圧力センサは、燃焼室内で直接的に燃焼圧力を検出するように構成される圧力センサとする。かかるノッキング強度は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すようなプロセスを経て得ることができる。図５（ａ）〜図５（ｃ）においては、横軸θはクランク角の検出値θ（°）を示し、かつ縦軸Ｐは筒内圧力センサにより得られた燃焼圧力（以下、「筒内圧力」という）の検出値Ｐ（ｂａｒ）を示す。

具体的には、図５（ａ）の実線Ｌ２に示すような筒内角度−圧力信号に対してハイパスフィルタ処理を施し、これによって、図５（ｂ）の実線Ｌ３に示すように、フィルタ処理を施された角度−圧力信号を得る。フィルタ処理を施された筒内角度−圧力信号を絶対値化し、これによって、図５（ｃ）の実線Ｌ４に示すように、絶対値化された筒内角度−圧力信号を得る。さらに、図５（ｃ）に示すように、絶対値化された筒内角度−圧力信号に基づいて筒内圧力の検出値Ｐの最大値Ｐｍからノッキング強度を得る。

ＥＣＵ３１は、燃焼室内１２における点火プラグ１９による点火を調節可能に構成される点火調節部４８を有する。さらに、図１を参照して説明すると、ＥＣＵ３１は、クランク角センサ３３から送られるエンジン１の回転速度の検出値、スロットル開度センサ３４から送られるスロットル開度の検出値、アクセルセンサ３５から送られるアクセル操作量の検出値に応じて定められる要求トルク、吸気圧センサ３６から送られる空気の圧力の検出値、ＬＡＦセンサ３７から送られる混合気の空燃比の検出値等のうち少なくとも１つに基づいて、空気の流量、混合気の空燃比等を調節するように構成されている。空気の流量は、吸気バルブ２２の開閉時期、スロットルバルブ２４の開度等の制御によって調節することができる。混合気の空燃比は、直噴用インジェクタ２５からの燃料噴射量等の制御によって調節することができる。

［ノッキング強度推定部の詳細について］
図３を参照してＥＣＵ３１のノッキング強度推定部４６の詳細について説明する。ノッキング強度推定部４６は、角度−圧力信号上で、燃焼室１２内の各燃焼サイクルにおいてクランク角の検出値θの一定区間にて変化する角度−圧力信号の強度Ｉの割合である複数の変化率Ｃ（＝ｄＩ／ｄθ）を算出するように構成される変化率算出部５１を有する。かかる変化率算出部５１は算出した変化率Ｃを記憶可能になっている。また、変化率Ｃを定めるクランク角の検出値θの一定区間は、デジタル化された角度−圧力信号の分解能に応じて定められるとよい。例えば、かかる一定区間は約１°とすることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されず、クランク角の検出値θの一定区間は、約０．０５°以上かつ約５°以下の範囲内にて定められてもよい。

ノッキング強度推定部４６は、燃焼室１２内の各燃焼サイクルにおいて変化率算出部５１により算出された複数の変化率Ｃのうち最大値（以下、「最大変化率」という）Ｍを選別するように構成される変化率選別部５２を有する。具体的には、変化率選別部５２は、１つの燃焼サイクルにおいて変化率算出部５１により記憶された複数の変化率Ｃから最大変化率Ｍを選別する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、変化率選別部は、最大変化率Ｍと実質的に等しい値が得られるのであれば、最大変化率Ｍ以外の変化率Ｃを選別してもよい。例えば、変化率選別部は、複数の変化率Ｃのうちｎ番目に大きなものを選別してもよい。なお、ｎは２以上の整数とし、特に、ｎは２又は３であると好ましい。また、変化率選別部５２は、算出した最大変化率Ｍを記憶可能であると好ましい。

ここで、クランク角の検出値θの一定区間にて変化する筒内圧力の検出値Ｐの割合である筒内変化率Ｄを算出し、かつ図６に示すように、燃焼室１２内の各燃焼サイクルにて算出される複数の筒内変化率Ｄの最大値（以下、「筒内最大変化率」という）Ｎを算出したと想定した場合、図６及び図７に示すように、最大変化率Ｍは筒内最大変化率Ｎに対して高い相関性を有する。さらに、上述のようにノッキング強度は筒内最大変化率Ｎに対して高い相関性を有するので、最大変化率Ｍはノッキング強度に対して高い相関性を有する。具体的には、最大変化率Ｍ及び筒内最大変化率Ｎは、図６及び図７に示すような約０°から３０°までのクランク角の検出値θの範囲、特に、点火プラグ１９の点火開始時期からそれ以降最初に現れる角度−圧力信号及び筒内角度−圧力信号の最大ピークまでの期間にて得ることができ、かかる期間にて得られる最大変化率Ｍ及び筒内最大変化率Ｎは互いに対して高い相関性を有する。

なお、図６においては、横軸θはクランク角の検出値θ（°）を示し、縦軸Ｐは筒内圧力の検出値Ｐ（ｂａｒ）を示し、実線Ｌ５は筒内角度−圧力信号を示し、かつ筒内最大変化率Ｎは、Δθにより示されたクランク角の検出値θの一定区間にて筒内圧力の検出値Ｐの最大変化量ΔＰが得られている筒内角度−圧力信号の領域にて算出される。図７においては、横軸θはクランク角の検出値θ（°）を示し、縦軸Ｉは座金センサ３２に基づく角度−圧力信号の強度Ｉ（Ｖ）を示し、実線Ｌ６は筒内角度−圧力信号を示し、かつ最大変化率Ｍは、Δθにより示されたクランク角の検出値θの一定区間にて角度−圧力信号の強度Ｉの最大変化量ΔＩが得られている角度−圧力信号の領域にて算出される。

ノッキング強度推定部４６は、このような最大変化率Ｍとノッキング強度との高い相関性に基づいて、変化率選別部５２により算出された最大変化率Ｍからノッキング強度の推定値Ｋを算出可能に構成される強度推定値算出部５３を有する。強度推定値算出部５３には、最大変化率Ｍとノッキング強度との関係を予め定義したノッキング強度マップが格納されており、強度推定値算出部５３は、かかるノッキング強度マップに基づいて、最大変化率Ｍからノッキング強度の推定値Ｋを算出すると好ましい。最大変化率Ｍとノッキング強度との関係は、運転条件に応じた適合試験等の実験、数値シミュレーション等の結果に基づいて予め求められるとよい。

しかしながら、本発明はこれに限定されず、強度推定値算出部は、最大変化率Ｍとノッキング強度との関係を予め定義した計算式に基づいて、最大変化率Ｍからノッキング強度の推定値Ｋを算出してもよい。また、強度推定値算出部は、最大変化率Ｍから筒内最大変化率Ｎを算出し、さらに、かかる筒内最大変化率Ｎからノッキング強度の推定値Ｋを算出してもよい。最大変化率Ｍと筒内最大変化率Ｎとの関係と、ノッキング強度との筒内最大変化率Ｎとの関係とは、運転条件に応じた適合試験等の実験、数値シミュレーション等の結果に基づいて予め求められるとよい。

［ノッキング判定部の詳細について］
ＥＣＵ３１のノッキング判定部４７の詳細について説明する。図３に示すように、ノッキング判定部４７は、ノッキング強度の推定値Ｋが第１のノッキング閾値Ｔ１よりも小さい場合に、ノッキングが発生していないと判定し、かつノッキング強度の推定値Ｋが第１のノッキング閾値Ｔ１以上である場合に、ノッキングが発生したと判定するように構成されるノッキング発生判定部６１を有する。ノッキング判定部４７はまた、強度推定値算出部５３により算出されたノッキング強度の推定値Ｋを、複数の強度レベルのいずれに対応するかを識別するように構成されるノッキング強度識別部６２を有する。複数の強度レベルは、人間の聴覚により予め設定されたものであるとよい。

本実施形態においては、図８に示すように、４つの強度レベル、すなわち、第１〜第４の強度レベルＬｖ１〜Ｌｖ４が設定されている。なお、５つ以上の強度レベルが設定され場合には、後述するノッキング強度の判定精度をより高めることができる。図８においては、横軸Ｋがノッキング強度の推定値Ｋ（ｂａｒ）を示し、縦軸Ｌｖは強度レベルを示し、かつ実線Ｌ７は、ノッキング強度の推定値Ｋと強度レベルとの相関性を表す線形関数を示す。

かかる図８に示すように、第１〜第４の強度レベルＬｖ１〜Ｌｖ４はかかる順に大きくなっている。具体的には、第１の強度レベルＬｖ１は、第１のノッキング閾値Ｔ１よりも小さいノッキング強度の推定値Ｋの範囲に対応しており、「ノッキングなし」として評価される。第２の強度レベルＬｖ２は、第１のノッキング閾値Ｔ１以上かつ第２のノッキング閾値Ｔ２よりも小さいノッキング強度の推定値Ｋの範囲に対応しており、「トレースノッキング」として評価される。第３の強度レベルＬｖ３は、第２のノッキング閾値Ｔ２以上かつ第３のノッキング閾値Ｔ３よりも小さいノッキング強度の推定値Ｋの範囲に対応しており、「ライトノッキング」として評価される。第４の強度レベルＬｖ４は、第３のノッキング閾値Ｔ３以上であるノッキング強度の推定値Ｋの範囲に対応しており、「ヘビーノッキング」として評価される。

また、複数の強度レベルは次のように予め設定することができる。すなわち、試験者が、筒内角度−圧力信号を用いてノッキング強度を算出すると同時に、シリンダブロック１３の表面近傍に設置したマイクにより取得した音を聴く。さらに、試験者が、このように音を聴きながら、ノッキングに起因する振動音を聴き分け、かつかかる振動音の大きさを複数の強度レベルに分ける。さらに、ノッキング強度と複数の強度レベルとの対応関係を定める。なお、マイクにより取得した音は、イコライザ（音声信号の周波数特性等を変更する音響装置）等を用いて、ノッキングに起因する振動音の周波数帯域（一般的に、５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ）にて強調させるように処理されるとよい。

［点火調節部の詳細について］
図３を参照してＥＣＵ３１の点火調節部４８の詳細について説明する。点火調節部４８は、クランク角センサ３３から送られるエンジン１の回転速度の検出値及びスロットル開度センサ３４から送られるスロットル開度の検出値に基づいて、気筒１１の燃焼室１２内にて点火プラグ１９による点火の時期を算出するように構成される目標点火時期算出部７１と、この目標点火時期算出部７１により算出された点火時期の目標値に応じて点火プラグ１９の点火時期を制御するように構成される点火制御部７２とを有する。

目標点火時期算出部７１は、クランク角センサ３３及びスロットル開度センサ３４と電気的に接続されている。目標点火時期算出部７１には点火時期マップが格納されていると好ましく、さらに、目標点火時期算出部７１は、点火時期マップに基づいて、エンジン１の回転速度及びスロットル開度の検出値から点火時期の目標値を算出すると好ましい。具体的には、点火時期の目標値は、点火時期マップ上でエンジン１の回転速度及びスロットル開度の検出値に対応する補正係数を用いて算出されると好ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、目標点火時期算出部は、計算式に基づいてエンジンの回転速度及びスロットル開度の検出値から点火時期の目標値を算出してもよい。

さらに、目標点火時期算出部７１は、ノッキング発生判定部６１が、ノッキングが発生したと判定した場合、ノッキング強度識別部６２により識別された強度レベルに応じて予め設定されたリタード量（点火遅角量）に基づいて点火時期の目標値を遅らせるように補正する。この場合、目標点火時期算出部７１は、点火時期マップの一部又は全体の領域における点火時期の目標値を遅らせるように点火時期マップを補正すると好ましい。特に、目標点火時期算出部７１において、既定の点火時期マップが、点火時期の目標値を遅らせるように予め補正された点火時期マップに書き換えられると好ましい。

［制御方法について］
図９を参照して、本実施形態に係るエンジン１の制御方法について以下に説明する。点火制御部７２が、既定の点火時期の目標値に応じて気筒１１の燃焼室１２内で点火を行うように点火プラグ１９を制御する（ステップＳ１）。圧力信号取得部４２が圧力信号を取得し、かつクランク角取得部４３がクランク角の検出値θを取得する（ステップＳ２）。角度−圧力信号算出部４４が、圧力信号をクランク角の検出値θに関連付けた角度−圧力信号を算出する（ステップＳ３）。フィルタ部４５が、角度−圧力信号に対して所定の遮断周波数よりも高い周波数の成分を逓減するフィルタ処理を施す（ステップＳ４）。

変化率算出部５１が、角度−圧力信号上で、燃焼室１２内の各燃焼サイクルにおいて、クランク角の検出値θの一定区間にて変化する角度−圧力信号の強度Ｉの割合である複数の変化率Ｃを算出かつ記憶する（ステップＳ５）。変化率選別部５２が、各燃焼サイクルにおいて複数の変化率Ｃの最大変化率Ｍを選別する（ステップＳ６）。強度推定値算出部５３が、最大変化率Ｍに基づいてノッキング強度の推定値Ｋを算出する（ステップＳ７）。ノッキング発生判定部６１が、ノッキング強度の推定値Ｋが第１のノッキング閾値Ｔ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ８）。

ノッキング発生判定部６１が、ノッキング強度の推定値Ｋが第１のノッキング閾値Ｔ１以上であると判断した場合（ＮＯ）、ノッキングが発生したと判定する（ステップＳ９）。この場合、ノッキング強度識別部６２が、ノッキング強度の推定値Ｋを第２〜第４の強度レベルＬｖ２〜Ｌｖ４のいずれに対応するかを識別する（ステップＳ１０）。点火時期算出部７１が、識別された第２〜第４の強度レベルＬｖ２〜Ｌｖ４の１つに応じて予め設定されたリタード量に基づいて、点火時期の目標値を遅らせるように補正する（ステップＳ１１）。点火制御部７２が、補正された点火時期の目標値に応じて気筒１１の燃焼室１２内で点火を行うように点火プラグ１９を制御する（ステップＳ１２）。その一方で、ノッキング発生判定部６１が、ノッキング強度の推定値Ｋが第１のノッキング閾値Ｔ１よりも小さいと判断した場合（ＹＥＳ）、ノッキングが発生していないと判定する（ステップＳ１３）。この場合、現状の点火時期を維持する（ステップ１４）。

しかしながら、本発明はこれに限定されず、本発明の制御方法においては、上記制御システムの変形例等に対応してそのステップが変更されてもよい。

以上、本実施形態に係る制御装置３によれば、気筒１１にその外側から接触するように取り付けられる座金センサ３２から送られる燃焼圧力の圧力信号をクランクシャフト１７のクランク角に関連付けた角度−圧力信号を用いるので、筒内角度−圧力信号のように、ノイズ除去のためにＤＦＴ、ＳＴＦＴ等の処理を行う必要がなく、演算負荷を低減することができる。その結果、ノッキングの判定時間を短縮することができて、ノッキングを解消するための応答性を向上させることができる。さらに、上記角度−圧力信号を用いて、気筒１１内のノッキング強度の推定値Ｋを算出し、かかるノッキング強度の推定値Ｋを用いてノッキングが発生したか否かを判定するので、ノッキングの判定精度を高めることができる。ひいては、ノッキングを確実に解消することができる。付随的には、座金センサ３２のコストは筒内圧力センサのコストと比較して低くすることができるので、製造コストを低減できる。また、座金センサ３２が、座金型になっており、かつ気筒１１にその外側から接触するように取り付けられるので、取付が容易になっている。特に、座金センサ３２がシリンダヘッド１５と点火プラグ１９との間で締め付けられるので、取付がより容易になる。

本実施形態に係る制御装置３によれば、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３を閉じた状態で検出された燃焼圧力に対応する圧力信号は、吸気バルブ２２及び排気バルブ２３の着座時に生ずる振動の影響を受けないので、燃焼安定性の判定精度を高めることができる。付随的には、演算処理に用いられる圧力信号が限定されるので、演算負荷を低減することができる。

本実施形態に係る制御装置３によれば、クランク角の検出値θの一定区間にて変化する角度−圧力信号の強度Ｉの割合である複数の変化率Ｃの最大変化率Ｍは、ノッキングの評価項目として一般的に用いられるノッキング強度に対して高い相関性を有しており、さらに、このような最大変化率Ｍから算出されるノッキング強度の推定値Ｋに基づいて、ノッキングが発生したか否かが判定されるので、ノッキングの判定精度を極めて高くすることができる。なお、最大変化率Ｍの代わりに、複数の変化率Ｃのうち最大変化率Ｍと実質的に等しいものを用いた場合にも、同様の効果を得ることができる。

本実施形態に係る制御装置３によれば、上述のような高精度のノッキングの判定によって、ノッキングが発生したと判断された場合に点火時期を遅らせるので、ノッキングを確実に解消することができる。

本実施形態に係る制御装置３によれば、ノッキング強度の推定値Ｋを予め設定された複数の強度レベルに分けて、これらの強度レベルのいずれかに応じてリタード量を変更するので、適切な点火時期の補正が可能になり、ノッキングを確実に解消することができる。また、リタード量は予め設定されるので、リタード量を算出するための演算負荷を低減することができる。その結果、ノッキングの判定時間を短縮することができて、ノッキングを解消するための応答性を向上させることができる。付随的には、ノッキングを確実に解消することによって、安定的な燃焼状態を得ることができる。

ここまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その技術的思想に基づいて変形及び変更可能である。

［実施例１］
実施例１について説明する。実施例１では、座金センサ３２に加えて、筒内圧力センサをシリンダヘッド１５に取り付けた上記実施形態のエンジン１を用いた。特に、エンジン１は直列４気筒エンジンとした。エンジン１の運転条件については、ノッキングを意図的に発生させるべく、エンジン１の回転速度を２０００ｒｐｍとし、エンジン１の負荷をスロットル全開（Wide Open Throttle）状態（全負荷状態）とし、点火時期のクランク角を、ＢＴＤＣ（Before Top Dead Center、圧縮上死点基準）に対して２０．２°とした。フィルタ部４５ではローパスフィルタ処理を実施し、かかるローパスフィルタ処理の遮断周波数は１００Ｈｚとした。

このような運転条件の下、座金センサ３２により角度−圧力信号を取得し、かかる圧力信号に基づく角度−圧力信号を算出し、さらに、角度−圧力信号から複数の変化率Ｃ間の最大変化率Ｍを算出した。なお、角度−圧力信号は、クランク角がＢＴＤＣに対して２０°からＡＴＤＣ（After Top Dead Center、圧縮上死点基準）に対して３０°までとする期間にて取得し、かつ最大変化率Ｍの算出に用いるクランク角の検出値θの一定区間は０．１°とした。

［比較例１］
比較例１について説明する。比較例１では、実施例１と同様のエンジンを用いた。さらに、比較例１では、実施例１と同条件で、実施例１にて圧力信号を取得することと同時に筒内圧力センサから筒内圧力信号を取得し、かかる筒内圧力信号に基づいて筒内角度−圧力信号を算出し、さらに、筒内角度−圧力信号から筒内最大変化率Ｎ及びノッキング強度ＫＩを算出した。なお、角度−圧力信号を取得する期間、及び筒内最大変化率Ｎの算出に用いるクランク角の検出値θの一定区間もまた、実施例１と同様とした。

このような実施例１及び比較例１において、実施例１の最大変化率Ｍと比較例１の筒内最大変化率Ｎとの相関関係を確認し、さらに、比較例１におけるノッキング強度ＫＩと筒内最大変化率Ｎとの相関関係を確認した。その結果、図１０に示すような最大変化率Ｍと筒内最大変化率Ｎとの相関図が得られ、かつ図１１に示すようなノッキング強度ＫＩと筒内最大変化率Ｎとの相関図が得られた。なお、図１０においては、横軸Ｎが筒内最大変化率Ｎ（ｂａｒ／°）を示し、かつ縦軸Ｍが最大変化率Ｍ（Ｖ／°）を示す。図１１においては、横軸Ｎが筒内最大変化率Ｎ（ｂａｒ／°）を示し、かつ縦軸ＫＩがノッキング強度ＫＩ（ｂａｒ）を示す。また、図１０及び図１１の相関図のそれぞれには、本実施例により得られた複数回の燃焼サイクルのデータがプロットされている。

図１０に示すように、実施例１の最大変化率Ｍと比較例１の筒内最大変化率Ｎとの相関係数は０．７２４であり、相関係数Ｒは０．７以上であった。図１１に示すように、比較例１におけるノッキング強度ＫＩと筒内最大変化率Ｎとの相関係数Ｒは０．８４８であり、相関係数Ｒは０．７以上であった。そのため、最大変化率Ｍと筒内最大変化率Ｎとの相関性が高いことが確認でき、かつノッキング強度ＫＩと筒内最大変化率Ｎとの相関性が高いことが確認できた。これらの相関性に基づいて、最大変化率Ｍとノッキング強度ＫＩとの相関性が高いこともまた確認できた。かかる相関性によれば、最大変化率Ｍから筒内最大変化率Ｎを推定し、さらに、筒内最大変化率Ｎからノッキング強度ＫＩを推定できることが確認できた。なお、図１１に示すように第１のノッキング閾値Ｔ１を設定した場合には、ノッキング閾値Ｔ１よりも小さな範囲にプロットされたデータの燃焼サイクルでは、ノッキングが発生していないと判定され、かつノッキング閾値Ｔ１以上の範囲にプロットされたデータの燃焼サイクルでは、ノッキングが発生したと判定されることとなった。

［実施例２］
本発明の実施例２について説明する。本実施例では、上記実施形態と同様の構成を有するエンジン１を用い、かかるエンジン１を、その回転速度を２０００ｒｐｍとし、かつその負荷をスロットル全開状態とした条件で運転した。さらに、かかる条件にてトレースノッキングが発生した場合のリタード量を１°に設定し、同条件にてライトノッキングが発生した場合のリタード量を４°に設定し、かつ同条件にてヘビーノッキングが発生した場合のリタード量を８°に設定した。その結果、トレースノッキング、ライトノッキング、及びヘビーノッキングが発生した場合のそれぞれにおいて、ノッキングを解消することができた。

１ ガソリン直噴エンジン（エンジン）
１１ 気筒
１２ 燃焼室
１７ クランクシャフト
１９ 点火プラグ
２２ 吸気バルブ
２３ 排気バルブ
３ 制御装置
３２ 座金型の圧力センサ（座金センサ）
４３ クランク角取得部
４４ 角度−圧力信号算出部
４５ フィルタ部
４６ ノッキング強度推定部
４７ ノッキング判定部
４８ 点火調節部
５１ 変化率算出部
５２ 変化率選別部
５３ 強度推定値算出部
６２ ノッキング強度識別部
θ クランク角の検出値
Ｉ 角度−圧力信号の強度
Ｃ 変化率
Ｍ 複数の変化率の最大値（最大変化率）
Ｋ ノッキング強度の推定値
Ｌｖ１〜Ｌｖ４ 第１〜第４の強度レベル

Claims (5)

1. 内燃機関における気筒の燃焼室内の燃焼圧力を検出可能とするように前記気筒にその外側から接触し、かつ前記燃焼圧力に応じて圧力信号を出力するように構成される座金型の圧力センサと、
   前記内燃機関のクランクシャフトのクランク角を取得するように構成されるクランク角取得部と
   を備え、
   前記内燃機関を前記気筒内のノッキングの発生に応じて制御可能に構成される内燃機関の制御装置であって、
   前記圧力信号を前記クランク角に関連付けた角度−圧力信号を算出するように構成される角度−圧力信号算出部と、
   点火プラグによる点火後の前記角度−圧力信号を用いて、前記気筒内のノッキング強度の推定値を算出するように構成されるノッキング強度推定部と、
   前記ノッキング強度の推定値に基づいて、前記気筒内でノッキングが発生したか否かを判定するように構成されるノッキング判定部と
   を備え、
   前記ノッキング強度推定部が、
   前記角度−圧力信号に基づいて、前記燃焼室内の各燃焼サイクルにて、前記クランク角の一定区間にて変化する前記角度−圧力信号の強度の割合である複数の変化率を算出するように構成される変化率算出部と、
   前記燃焼室内の各燃焼サイクルにおける前記複数の変化率のうち１つの選別変化率を選別するように構成される変化率選別部と、
   前記選別変化率を用いて、前記ノッキング強度の推定値を算出するように構成される強度推定値算出部と
   を有する、内燃機関の制御装置。
2. 前記角度−圧力信号算出部が、前記内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブの両方を閉じた状態の前記クランク角の範囲内で前記角度−圧力信号を算出するように構成されている、請求項１の内燃機関の制御装置。
3. 前記選別変化率が前記複数の変化率の最大値となっている、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記ノッキング判定部が、前記ノッキングが発生したと判定した場合、前記ノッキングを解消すべく前記気筒の燃焼室内における点火の時期を遅らせるように前記点火プラグを制御する構成である点火制御部をさらに備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記ノッキング判定部が、
   前記ノッキング強度の推定値を予め設定された複数の強度レベルのいずれに対応するかを識別するように構成されるノッキング強度識別部
   をさらに有し、
   前記点火制御部が、識別された前記強度レベルに応じて予め設定されたリタード量に基づいて前記点火の時期を遅らせるように構成されている、請求項４に記載の内燃機関の制御装置。

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