本发明涉及一种检测内燃机的爆燃的技术。
背景技术：
在内燃机的燃烧室中，根据条件发生过早点火，由此有可能从发动机产生杂音，或因燃烧室内的过剩的压力而使机关破损。为了防止这些，需要高精度地检测爆燃。
众所周知，爆燃是由于燃烧室内的端末部的未燃烧气体的自燃而使燃烧室内的气体发生振动，且该振动被传递到发动机主体的现象。由于会引起机关的产生能量损耗(输出降低)、向机关各部的冲撞、进而油耗降低等，因此期望尽可能地避免爆燃。因此，准确检测爆燃的发生是不可欠缺的。
以往，例如下述专利文献1所记载的那样已知如下技术：使用带通滤波器从振动检测传感器的输出信号中仅分离5～12khz范围的单一的共振频率成分，根据该输出的累计值是否大于背景水平(backgroundlevel)(将爆燃传感器的信号自身的过去值进行加权平均并平均化而得的值)，来检测出爆燃的发生。
如专利文献1所示，仅使用单一的共振频率成分来检测爆燃的发生的方法存在如下课题：背景水平在高速旋转时变大而无法检测出准确的爆燃的发生，或者机关各因素变化时爆燃的共振频率也发生变化而无法检测出准确的爆燃的发生。因此，在下述专利文献2中提出了提取多个共振频率成分来进行爆燃检测的方法。
在下述专利文献3中记载了解决用于检测背景水平的延迟滤波器所引起的应答延迟的方法。在该文献中，通过发动机转速变化来检测运转状态，并根据该运转状态来校正爆燃判定阈值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58-45520号公报
专利文献2：日本特开平3-47449号公报
专利文献3：日本特开昭63-295864号公报
技术实现要素：
发明要解决的课题
由于油耗的上升、排气净化性能的提高等要求，进行了提高机关的压缩比的尝试。另一方面，由于通过提高压缩比容易发生爆燃，因此期待进一步提高爆燃的检测精度。
如专利文献2的记载所示，在提取多个共振频率成分来检测爆燃的方法中进一步提高爆燃的检测精度情况下，需要解决以下所述那样的课题。即，为了计算被用作用于检测爆燃的一个参数的背景水平，需要准确地计算未发生爆燃时的爆燃传感器输入的平均值。例如，在使用延迟过滤器来计算平均值的情况下，需要更加强化使用过滤器。另一方面，延迟过滤器具有在运转状态变动时应答性延迟的特性。若该应答延迟较大，则机关的负荷变动时发生由爆燃发生的误检测所引起的点火时期的误差，尤其，有时对动力性能、废弃性能、燃料消耗性能等产生恶劣影响。
在专利文献3中，使用多个共振频率来提高检测精度的情况下，不仅能够高精度地检测基于发动机转速变化的爆燃传感器的输出增大，还能够高精度地检测基于发动机负荷状态的爆燃传感器的输出增大。因此，存在因节流阀开度的急剧变化而增大与上述同样的误检测的危险性的可能性。
本发明是鉴于上述的课题而提出的，其目的在于，提供一种可以抑制过渡时的爆燃的误判定，并且无论发动机的稳定运转/过渡运转如何都将提高噪声检测精度。
用于解决课题的手段
本发明所涉及的爆燃检测装置根据内燃机的运转状态推定背景水平，并使用该背景水平计算出爆燃判定指标。
发明效果
根据本发明所涉及的爆燃检测装置，由于在过渡运转时计算背景水平时的跟踪性提高，因此能够强化平滑化处理。由此，能够抑制过渡时的爆燃的误判定，并且无论发动机的正常运转/过渡运转如何都将提高噪声检测精度。
附图说明
图1是表示未发生爆燃时的振动传感器输出的频率成分解析结果的图。
图2是表示发生了爆燃时的振动传感器输出的频率成分解析结果的图。
图3是说明使用爆燃判定指标来判定爆燃发生的有无的一般原理的图。
图4是表示过渡运转时的节流阀开度、发动机转速、频率fi的背景水平bgli、爆燃指标、爆燃判定信号(表示有无爆燃的信号)的经时变化的例子。
图5是发动机点火装置的系统结构图。
图6是控制单元9的框图。
图7是说明判定有无爆燃的顺序的流程图。
图8是说明现有技术中的判定有无爆燃的顺序的运算图。
图9是说明本发明中的判定有无爆燃的顺序的运算图。
图10是说明cpu20运算点火时期的顺序的流程图。
图11是记述了背景水平的推定值的映射数据的图。
具体实施方式
以下，首先对本发明的爆燃检测的一般原理进行说明。之后，对本发明的实施方式进行说明。
＜爆燃检测的一般原理＞
发动机的振动例如包括由活塞的摩擦、曲轴的旋转、阀的动作等引起的多个振动成分。并且，这些振动成分根据发动机状态而变化。在发动机中发生爆燃时，产生爆燃所特有的振动。从振动传感器检测出的发动机整体的振动中分离出爆燃所特有的振动，来进行有无爆燃发生的判定。
图1是表示未发生爆燃时的振动传感器输出的频率成分解析结果的图。虽然这里示例了到20khz为止的范围内的解析结果，但本发明的对象并不限定于此。在以下的附图中也同样如此。
图2是表示发生了爆燃时的振动传感器输出的频率成分解析结果的图。如果比较图1和图2则可以知道，相比于未发生爆燃的情况，在发生了爆燃的情况下，能够理解各个共振频率成分变大。例如，在频率f10、f01、f11的近旁发生了爆燃。
图3是针对使用爆燃判定指标来判定有无爆燃发生的一般原理进行说明的图。在以下的原理说明中，方便起见，对使用图2所示的共振频率f10(6.3khz)和f01(13.0khz)的共振频率成分ω10p(f10)、ω01p(f01)来计算爆燃判定指标的例子进行说明。但是，本发明并不限定于这些，还可以利用任意2个以上的共振频率成分来判定爆燃发生的有无。
振动传感器将爆燃发生所引起的振动与背景振动(因爆燃以外的原因而产生的振动)合并检测。因此，爆燃判定指标i是在未发生爆燃时与背景振动对应的指标ib，在发生了爆燃时通过背景振动所对应的指标ib与爆燃所对应的指标ik的合成来求出的。
可以使用主要的共振频率成分并通过下述式(1)来表示爆燃判定指标i。ω是由发动机转速决定的实际数值。ω也可以取1或0这两值。p是各共振频率成分的振动强度(功率谱)。
i＝ω10p(f10)+ω20p(f20)+ω01p(f01)+ω30p(f30)+ω11p(f11)(式1)
如图3所示，由背景振动的共振频率成分所示的爆燃判定指标ib和由爆燃的发生所引起的振动的共振频率成分所示的指标ik在方向和大小上有所不同。此处，即使是人类的听觉试验那样也可以明白，相对于没有爆燃时的发动机声音，有爆燃时例如能清楚听到清脆声等声音。
在对背景振动增加爆燃发生所引起的振动时，爆燃判定指标i超过阈值i02。由此，能够判定发生了爆燃。以下，在本说明书中，不限定于式1右边的五个项，通过组合振动传感器的输出所包含的多个共振频率成分来计算出的指标被全部定义为爆燃判定指标(以下称为爆燃指标)。
这样，由于除了背景振动外还考虑爆燃发生引起的特有的频率成分来计算爆燃指标，因此即使背景振动变大，也能够判定爆燃发生的有无。
＜本发明的爆燃检测的基本思路＞
在本发明中，在计算爆燃指标时，与以往同样地，按频率成分将振动传感器检测出的振动平均化，由此计算背景水平。在该情况下，即使没有发生爆燃，例如因发动机、燃烧振动的增大而振动强度急剧变化时，背景水平的计算结果无法跟踪最新状态，如以下的图4说明的那样有可能误检测出爆燃。
图4是表示过渡运转时的节流阀开度、发动机转速、频率fi的背景水平bgli、爆燃指标、爆燃判定信号(表示有无爆燃的信号)的经时变化的例子。在图4中，将节流阀开度tvo从全闭设为全开的情况下，实际上发动机转速ne上升是因为延迟时间。bgli本来是用虚线所示那样的动作，但通过平均化处理来计算bgli时产生实线所示那样的延迟。通过s/n比(各频率成分相对于bgli的比)的计算来求出爆燃指标。
根据图4所示的例子可知，由于bgli延迟，无论是否发生爆燃，爆燃指标都超过理论上的爆燃指标，其结果是将对爆燃进行误判定。针对该理由进一步进行说明。
在背景水平急剧增加时，通过实施平均化处理而求出的背景水平的计算结果相对于实际值延迟。作为爆燃指标使用噪声相对于bgli的比的情况下，背景水平的计算延迟与爆燃指标的分母小于实际值相关，因此将爆燃指标计算得比本来的值大。这样，在过渡运转状态下，爆燃指标与爆燃判定阈值间的间隔变小，无论是否发生爆燃都有可能判定为发生了爆燃。图4所示的例子示出了这样的状态。
本发明抑制如图4所示那样延迟为背景水平的计算结果无法相对于实际的背景水平进行跟踪而由此引起的误判定。具体地，根据内燃机的运转状态另外推定背景水平，使用该推定结果来计算爆燃指标。由此，抑制由背景水平的计算延迟所引起的爆燃误判定。
＜实施方式1：装置结构＞
图5是发动机点火装置的系统结构图。空气从空气净化器1的入口部进入，通过导管3、具有节流阀的节流阀本体5、吸气管6，被吸入到发动机7的缸内。导管3上设有热线式空气流量计2。热线式空气流量计2检测吸入空气量，并将表示其结果的检测信号输出至控制单元9。
燃料从未图示的燃料箱经由喷射器16被喷射，在吸入通道内与吸入空气混合，并供给至发动机7的缸内。混合气体被发动机7压缩，通过火花塞15被点火。爆发后的混合气体从排气管8被排出。排气管8上设有排气传感器11。将表示排气传感器11的检测结果的检测信号输入至控制单元9。
由点火线圈13产生的高电压通过分配器14分配给各气筒，并供给到火花塞15。曲轴转角传感器12检测发动机的旋转状态。曲轴转角传感器12输出表示每旋转一次的绝对位置的ref信号以及表示从该绝对位置移动了预定角度后的位置的pos信号。将ref信号以及pos信号输入到控制单元9。发动机7上安装有检测振动的振动传感器(燃烧状态传感器)151，将表示其检测结果的检测信号输入到控制单元9。
图6是控制单元9的框图。控制单元9根据来自各传感器的信号运算燃料供给量、点火时期等，对喷射器16和点火线圈13输出控制信号。控制单元9大致被分为控制模块34和爆燃检测模块35。
控制模块34具备cpu：(centralcontrolunit)、a/d变换器21、rom(readonlymemory)22、输入i/o23、ram(randomaccessmemory)24、dpram(dualportram)25、输出i/o24、总线37。
爆燃检测模块35具备：cpu29、端口27、定时电路28、a/d变换器30、rom31、ram32、时钟33、运行电路38、总线36。cpu20与cpu29之间的数据交换例如经由dpram25来进行。
由热线式空气流量计2检测出的吸入空气量qa通过a/d变换器21变换为数字值后，被cpu20取入。由曲轴转角传感器12检测出的ref信号以及pos信号通过输入i/o23被cpu20取入。cpu20按照rom22中存储的程序来实施运算，将运算结果经由输出i/o26输出到各制动器，来作为指示燃料喷射量的燃料喷射时间信号ti、指示点火时期的点火时期信号θign。ram24存储运算处理中需要的数据。
在运行电路38产生表示上死点(topdeadcenter)的tdc信号时，定时电路28按照cpu20对端口27输入的内容，对时钟33产生的周期信号进行分频由此产生采样信号。在产生采样信号时，a/d变换器30将振动传感器151输出信号变换为数字值。
用于检测爆燃的以往的振动传感器在13khz附近谐振，但在本实施方式中为了得到至少到18～20khz为止的共振频率成分，而使用以18khz以上进行谐振的传感器。cpu29按照存储在rom31中的程序，将采样的数字值存储到ram32中，并且按照在后述的图7中说明的流程图来判定有无爆燃发生。将有无爆燃发生的判定结果经由dpram25通知给cpu20。
＜实施方式1：爆燃判定顺序＞
图7是说明判定爆燃的有无的顺序的流程图。本流程图是在发动机的每个爆发周期执行的图，通过对cpu29进行中断，而由cpu29实施。以下，按照图7的各步骤进行说明。
(图7：步骤s101～s102)
cpu29取入由a/d变换器30将来自振动传感器151的检测信号进行变换后而得的a/d变换值(s101)。cpu29对振动传感器151的检测信号进行频率分析(s102)。例如，可以通过高速傅里叶变换、沃尔什傅里叶变换等来实施该频率分析。
(图7：步骤s103)
cpu29选择在步骤s102中分析而得的频率成分中的、包含共振频率的多个频率。例如，选择8个共振频率。在本步骤中选择的频率成分例如可以根据发动机的规格等预先来决定。
(图7：步骤s104)
cpu29对每个在步骤s103中选择的频率成分求出表示振动强度的s/n比。具体地，通过平滑化处理求出与选择出的频率成分(f1、…、fi)对应的背景水平(bgl1、…、bgli)，并求出每个频率的s/n比sli＝fi/bgli。在步骤s103中选择了8个频率成分的情况下，求出sl1～sl8。
(图7：步骤s104：补充)
在本步骤中计算背景水平时，不是直接使用由振动传感器151检测出的信号成分，而是在对背景水平的推定值预先进行了减法运算的基础上计算加权平均，之后重新对背景水平的推定值进行加法运算。计算fi相对于该结果的比率来作为本步骤中的sli。在后述的图8～图9中说明具体的顺序。
(图7：步骤s105)
cpu29按照从大到小的顺序，在步骤s103中选择出的频率成分中，提取m个在步骤s104中求出的s/n比，通过对它们进行合计来求出爆燃指标i。例如，可以提取上位的5个频率成分的s/n比并进行加法运算。
(图7：步骤s106)
cpu29比较判定阈值与在步骤s105中求出的爆燃指标i(s106)。爆燃指标i较大的情况下向步骤s107前进，如果不是则向步骤s111前进。
(图7：步骤s106：补充)
在本步骤中所使用的判定阈值既可以是预先决定的，也可以是例如根据发动机转速等运转状态计算出的。作为计算方法，例如可以使用预先定义了运转状态与判定阈值之间的对应关系的数据映射等，但并不限定于此。
(图7：步骤s107～s108)
cpu29判断为发生了爆燃(s107)，将表示爆燃发生的爆燃标记设为“1”(s108)。在另外启动的点火控制任务中使用该爆燃标记。
(图7：步骤s111)
cpu29判断为未发生爆燃。cpu29更新背景水平bgli。通过对在步骤s103中选择出的频率成分的振动强度进行延迟过滤处理来求出bgli。具体地，对每个频率成分求出bgli＝bgli×(1－α)+fi×α。
(图7：步骤s112)
cpu29将爆燃标记设为“0”。
以上，对本发明中的判定有无爆燃的顺序进行了说明。以下，一边比较现有技术中的判定有无爆燃的顺序与本发明，一边对本发明的顺序进行详细说明。
图8是说明现有技术中的判定有无爆燃的顺序的运算图。设为cpu实施各步骤。以下，对图8中的各运算模块的处理进行说明。
振动传感器检测发动机的振动(s301)，ad变换器将该检测结果变换为数字信号(s302)。通过对振动信号应用例如带通滤波器，来提取用于计算爆燃指标的频率成分(在此示例了3个频率成分)(s303)。cpu对每个频率成分计算加权平均(s304)。cpu将计算出的加权平均变换为适当的指标(例如相对于在步骤s104中说明的背景水平的比率)(s305)。cpu通过对各频率成分的指标进行加法运算来求出爆燃指标(s306)。能够与步骤s106同样地求出爆燃判定阈值(s307)。cpu通过比较爆燃指标与爆燃判定阈值，来判定有无爆燃。
在图8的各运算模块中同时示出了示意性地表示过渡运转时的计算结果的图。在过渡运转时，频率成分随着时间增加。在s304中通过加权平均计算背景水平时，获得的背景水平比实际值小，因此作为结果爆燃指标变大，有可能发生误判定。
图9是说明本发明中的判定有无爆燃的顺序的运算图。cpu29实施各步骤。以下，对图9中的各运算模块的处理进行说明。
步骤s301～s303与现有技术相同。这些对应于图7中的s101～s103。
在步骤s401中，cpu29例如根据发动机转速、负荷等来推定发动机的运转状态。rom31中预先存储有记述了发动机的运转状态与该运转状态下的标准的背景水平之间的对应关系的映射数据。对每个频率成分记述背景水平。cpu29根据推定出的运转状态参照映射数据，由此推定当前运转状态下的背景水平。本步骤对应于在步骤s104：补充中说明的处理。
在步骤s402中，cpu29对每个在步骤s303中提取出的频率成分，减去对应的频率成分的背景水平。由此，基于转速、负荷变化的背景水平的变动不会被输入到后续的加权平均中，因此能够抑制伴随加权平均处理的跟踪延迟。然而，对于在本步骤中减去的背景水平，在加权平均后的步骤s403中对每个频率成分加回来。本步骤对应于在步骤s104：补充中说明的处理。
步骤s304与现有技术相同，但是不同点在于，在对每个频率成分预先减去背景水平后，重新对每个频率成分计算加权平均。在步骤s403中，对于每个频率成分的加权平均结果，cpu29对每个频率成分将在步骤s402中减去的背景水平加回来。由此，信号水平返回到减去前的水准。这些步骤对应于在步骤s104：补充中说明的处理。
步骤s305与现有技术相同，对应于步骤s104。但是，计算s/n比sli时的分母为步骤s403的结果，分子为在步骤s303中提取出的频率成分。到达本步骤前经由步骤s304和步骤s403去除背景水平的过渡变动，因此与现有技术的不同之处在于能够抑制伴随过渡变动的误判定。步骤s306以后与现有技术相同，对应于步骤s105以后。
图10是说明cpu20运算点火时期的顺序的流程图。周期性地(例如每个10msec)启动cpu20。以下，按照图10的各步骤进行说明。
(图10：步骤s201)
cpu20从设定于ram24内的预定的寄存器读入发动机转速n和吸入空气量q。
(图10：步骤s202)
cpu20计算单位转速的吸入空气量q/n(基本燃料喷射量)，进而根据吸入空气量q/n求出燃料喷射时间幅度ti。cpu20根据存储于rom22内的基本点火时期映射求出基本点火时期θbase。基本点火时期映射是记述了吸入空气量q/n、转速n以及基本点火时期θbase的对应关系的数据映射。
(图10：步骤s203)
cpu20按照爆燃标记(cpu29按照图7求出的标记)来判定有无爆燃发生。若爆燃发生则向步骤s213前进，若未发生爆燃则向步骤s204前进。
(图10：步骤s213)
cpu20从点火时期θadv减去预定的滞后量δθret。因该减法运算，点火时期被滞后(延迟)。
(图10：步骤s214)
cpu20初始化计数值a并前进至步骤s208。计数值a是用于对爆燃发生次数进行计数的变量。对于计数值a的使用方法，在随后的步骤中进行说明。
(图10：步骤s204)
cpu20对计数值a加上1(s204)。cpu20判断计数值a是否到达了预定值(例如50)。在到达的情况下向步骤s206前进，未到达的情况下向跳转到步骤s208。
(图10：步骤s206～s207)
cpu20对提前角θadv加上预定的提前角量δθadv。通过该加法运算，在步骤s213中滞后的点火时期被恢复。在每隔10msec启动本流程的情况下，在计数值a到达50的时刻，计数值a被初始化后经过了0.5秒。即，在本步骤中，从爆燃发生而点火时期延迟起每经过0.5秒，恢复点火时期。cpu20将a初始化。
(图10：步骤s208)
cpu20对基本点火时期θbase加上提前角θadv，由此运算点火时期θign。
(图10：步骤s209)
cpu20根据存储于rom22内的最大提前角映射读出最大提前角θres。最大提前角映射是记述了吸入空气量q/n、转速n以及基本点火时期θres的对应关系的数据映射。
(图10：步骤s210～s211)
cpu20判断点火时期θign是否超过了最大提前角θres。若未超过则跳转到步骤s212。在超过的情况下，θign过渡前进，因此在步骤s211中，将点火时期θign设为最大提前角θres。
(图10：步骤s212)
cpu20根据发动机状态，将延迟时间td、采样点速ns、分频比ts输出到端口27。根据分频比ts决定振动传感器151输出的数字值的采样周期，根据采样点速ns决定采样分数。
＜实施方式1：总结＞
本实施方式1所涉及的控制单元(爆燃检测装置)9在从振动传感器151的频率成分预先减去背景水平的推定值的基础上进行加权平均，之后将背景水平的推定值加回来。由此，在加权平均处理中去除背景水平的过渡变动，因此能够抑制伴随该过渡变动的计算延迟和以该计算延迟为原因的爆燃误检测。因此，在所有的运转状态下，能够将点火时期控制为最佳。
＜实施方式2＞
图11是记述了背景水平的推定值的映射数据的图。映射数据记述了发动机转速(或变化率)、发动机负荷(或变化率)、背景水平(或针对规定水平的修正值)的对应关系。在图11所示的例子中，存在背景水平在高旋转侧/高负荷侧上升的倾向。
作为推定背景水平的其他方法，cpu29也可以取得节流阀传感器信号(表示节流阀开度的信号)、吸入空气量信号(表示针对发动机的吸入空气量的信号)、燃料喷射脉冲信号(指示燃料喷射的脉冲信号)、吸气管压力信号(表示吸气管6的内部压力的信号)等表示负荷状态的传感器信号，并根据这些信号推定运转状态。这些信号与运转状态间的对应关系，例如可以通过与图11同样的映射数据等来记述，也可以通过其他适当的方法计算出运转状态。并且，还可以将图11所示例的发动机转速和发动机负荷的映射数据进行组合。
＜针对本发明的变形例＞
本发明并不局限于上述的实施例，还可以包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了便于理解本发明而进行的详细说明，并不一定限定为必须具备说明的所有结构。此外，也可以将某实施例的结构的一部分置换成其他实施例的结构,并且,也可以对某实施例的结构增加其他实施例的结构。此外，可以对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。
在以上的实施方式中说明了通过cpu29(相当于频率分析器、平滑化器、背景水平推定器、指标计算器、判定器)执行软件，来实施用于爆燃检测的各步骤，但也可以通过电路装置等硬件来实现同样的结构。例如，也可以通过电路装置来实施频率分析、平滑化、根据映射数据取得推定值的处理、爆燃指标的计算、阈值判定中的任一个以上。
来自安装在缸模块上的振动传感器151的输出具有根据发动机转速、负荷的上升而增大的特性。这是由于发动机内的活塞污垢等机械噪音、燃烧模式变化所造成的。因此，在步骤s103中，还可以对每个缸选择不同的频率成分。
振动传感器151为了取得因喷射器16进行动作而引起的喷射器噪声，将喷射器16进行动作的期间设为采样窗口，并在该窗口内取得喷射器噪声。计算爆燃指标时不需要该喷射器噪声，因此希望去除该喷射器噪声。因此，可以将记述了假定的喷射器噪声的数据预先存储在rom22等中，cpu29从采样窗口内的振动传感器151的检测结果减去该喷射器噪声。由此，能够不受喷射器噪声影响而准确计算出爆燃指标。
由于记述了背景水平的推定值的映射数据记述了标准的背景水平，因此希望不将背景水平的过渡的变动记述在同一映射数据内。例如，虽然假定发动机转速、发动机负荷急剧增加时背景水平也急剧增加，但对于这样的急剧变动的背景水平不记述在映射数据内。具体地，希望仅将背景水平的变动率在某范围以内的背景水平记述在映射数据中。
从振动传感器151的检测结果提取出的频率成分，并不一定必须全部提取，例如也可以仅提取代表性的频率成分并通过插补处理对其他频率成分进行补充。例如，可以根据试验结果等预先决定用于插补处理的运算式。由此，能够抑制用于提取频率成分的运算负荷。
在以上的实施方式中，将频率成分相对于背景水平的比率(s/n比)计算为该频率成分的爆燃指标，但也可以将背景水平的差分用作爆燃指标来代替比率。
符号说明
1：空气净化器、2：热线式空气流量计、3：导管、5：节流阀本体、6：吸气管、7：发动机、8：排气管、9：控制单元、11：排气传感器、12：曲轴转角传感器、13：点火线圈、14：分配器、15：火花塞、16：喷射器、151：振动传感器。