专利名称：内燃机的爆震检测装置以及爆震检测方法
技术领域：
本发明涉及具备对从检测内燃机爆震振动的振动波形检测部输出信号的背景水平进行检测的功能的内燃机爆震检测装置，以及爆震检测方法。
背景技术：
一般的，内燃机的爆震检测多采用如下方法用爆震传感器检测气缸体的爆震振动，从这个爆震传感器的输出信号中用滤波器抽出爆震频带的信号水平，将这个爆震频带的信号水平和爆震判定水平相比较来进行爆震判定。此时，爆震判定水平以爆震传感器输出信号的背景水平为基准进行设定。因此，必须正确检测这个背景水平。
背景水平随内燃机运转状态的变化而变化。因此，如日本专利文献实公平6-41151号公报所示，有在内燃机的运转当中在每次点火时对爆震传感器的输出信号进行钝化处理以求得背景水平的方法。但是，在这个方法中，爆震传感器的信号水平在急变的瞬时运转时，有时会在检测出的背景水平中产生响应延迟，从而对爆震进行误判。
作为对策，如日本专利文献特开2002-47993号公报所示，有在按各气缸的每次燃烧行程而设定的爆震判定区间内，从爆震传感器的输出信号中抽出和爆震频带不同的频带(以下称为“背景频带”)的信号水平，计算出背景水平的方法。
并且，如美国专利第6246953号公报所示，有根据与爆震判定区间不同的区间(以下称为“背景判定区间”)的爆震传感器的输出信号来计算背景水平的方法。
然而，爆震发生时，在爆震频带信号水平大幅上升的带动下，与爆震频带不同的背景频带的信号水平也上升。因此，如日本专利文献特开2002-47993号公报所示，若以背景频带的信号水平为基础来检测背景水平，则爆震发生时检测出的背景水平要比实际值大。甚至，当噪声重叠到背景频带上时，会检测出比实际值大得多的背景水平。
还有，近年来，为了能够实现高输出、低燃耗、低污染，安装了可变阀定时机构等的可变阀机构，或是安装了对缸内喷射发动机的燃料喷射期进行可变控制的系统的内燃机在不断的增加中。在这样的内燃机中，由于在爆震传感器的输出信号中包含作为噪声的吸排气阀的就位声音或燃料喷射阀的操作声音的区间，根据内燃机控制状态的改变而变动，因此，对没有包含这些噪声的背景判定区间进行统一设定是一件困难的事情。因此，在美国专利第6246953号公报的方法中，根据内燃机的控制状态，吸排气阀的就位声音或燃料喷射阀的操作声音产生的噪声叠加到背景判定区间爆震传感器的输出信号中(参照图6)，会产生检测出的背景水平要大于实际值的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可以在不受爆震或噪声的影响下精确地检测出背景水平，提高爆震判定精度的内燃机爆震检测装置以及爆震检测方法。
为达到上述目的，在本发明提供的内燃机爆震检测装置中，对从检测内燃机爆震振动的振动波形检测部输出的振动波形信号的信号水平，由信号水平抽出部按多个频带分别进行抽出，从信号水平抽出部输出的多个频带的信号水平中的偏差被判断为最小或接近最小时，根据所述多个频带的信号水平的至少一个，由背景水平检测部来检测背景水平。
这样，在从爆震波形检测部的输出信号中抽出多个频带的信号水平的情况下，当产生爆震或噪声时，爆震或噪声的影响仅对一部分频带显得较大，而对其他频带的影响会比较少。因此，能够在多个频带的信号水平中偏差最小或接近最小的曲柄角位置，判断爆震或噪声有无发生。在这个曲柄角位置，若以该多个频带信号水平中的至少一个为基础检测背景水平，则可以在不受爆震或噪声的影响下精确地检测出背景水平。
利用该背景水平进行爆震判定的方法可以想出各种各样的方法。爆震检测装置例如可以包括根据信号水平抽出部输出的多个频带信号水平对表示爆震特征的爆震特征参数进行计算的参数计算部；以及比较所述爆震特征参数和所述背景水平来进行爆震强度判定的爆震强度判定部。此时，由于能够精确检测背景水平，所以若比较这个背景水平和爆震特征参数，则可以精确地求得爆震强度。此外，当然也可以以背景水平为基准来设定爆震判定水平，比较这个爆震判定水平和爆震频带的信号水平来进行爆震判定。
当从信号水平抽出部输出的多个频带信号水平中的偏差被判断为最小或接近最小时，所述背景水平检测部可以将所述多个频带信号水平的平均值作为背景水平进行检测，也可以将该多个频带信号水平中的最小信号水平作为背景水平进行检测，或者，也可以将该多个频带信号水平中的特定频带信号水平作为背景水平进行检测。在这里所述的特定频带可以是与包含爆震共振频率的频带不同的频带。如此，可以更加可靠地从背景水平中将爆震的影响排除掉。
另外，可以在按内燃机各气缸每次燃烧行程而设定的规定期间内检测背景水平。如此，由于各气缸的每次燃烧行程可以在不受过去历史背景水平的影响下来检测背景水平，从而即使在瞬时运转时，也可以检测出无响应延迟的、准确的背景水平。
并且，爆震波形检测部可以是检测内燃机气缸体振动的爆震传感器，可以是检测内燃机气缸内压的气缸内压传感器，也可以是检测在内燃机气缸内发生的离子电流的离子电流检测部，或是检测内燃机旋转变动的旋转变动检测部。无论是哪种情况，都可以输出与内燃机爆震振动相对应的振动波形信号。
本发明还提供了一种内燃机的爆震检测方法。所述爆震检测方法包括输出与内燃机爆震振动相对应的振动波形信号的步骤；对该输出的振动波形信号的信号水平多个频带分别进行抽出的步骤；当所述抽出的多个频带信号水平中的偏差被判断为最小或接近最小时，根据所述多个频带信号水平中的至少一个来进行背景水平检测的步骤。
图1是表示本发明一实施例中爆震检测装置全体系统结构的框图；图2是表示爆震判定主例程处理流的流程图；图3是表示背景水平计算例程处理流的流程图；图4是对从爆震传感器输出的振动波形信号中抽出4个频带F1～F4的信号水平的滤波处理进行说明的曲线图；图5是对四个频带F1～F4的信号水平的变化、最大信号水平Fmax与最小信号水平Fmin之差ΔF[Ci](＝Fmax-Fmin)的变化、以及四个频带F1～F4信号水平的平均值Fav[Ci]的变化进行说明的时序图；图6是对V型8气缸发动机的点火顺序和吸排气阀的开闭时刻以及爆震判定区间之间的关系进行说明的时序图。
具体实施例方式
下面，对在V型8气缸发动机中具体实施本发明的一个实施例进行说明。首先，对爆震检测装置全体的系统结构进行说明。将检测气缸振动的爆震传感器11，12(振动波形检测装置或振动波形检测部)分别安装到V型8气缸发动机(内燃机)的2个机组A、B的气缸体中。从各爆震传感器11、12输出的振动波形信号，分别通过滤去高频成分的低通滤波器(LPF)13、14，输入到多路器(MPX)15中。这个MPX15选择机组爆震传感器的振动波形信号，输入到爆震判定电路16中。所选择的机组中有在2个机组A、B内设计的2个爆震传感器11、12中的点火气缸。
这个爆震判定电路16由以下几部分构成将从MPX15输入的振动波形信号转换为数字信号的A/D转换器17；将此A/D转换器17的输出信号的信号水平分成多个频带(本实施例中是4个频带F1～F4)来进行抽出的滤波处理部18(信号水平抽出装置或信号水平抽出部)；根据从此滤波处理部18输出的多个频带信号水平进行爆震判定的爆震判定部19；并且，此爆震判定部19的判定结果被输出到发动机控制用的微型计算机20。
此微型计算机20将用于按各气缸每一燃烧行程设定爆震判定区间(例如ATDC10℃A～60℃A的区间)的爆震判定区间设定信号输出到A/D转换器17，在此爆震判定区间内对振动波形信号进行A/D转换，在滤波处理部18抽出多个频带的信号水平。微型计算机20根据爆震判定部19的判定结果，将点火时间控制在爆震临界附近，从而提高能量的输出或燃油效率。
图6是对V型8气缸发动机的点火顺序和吸排气阀的开闭时间以及爆震判定区间之间关系进行说明的时序图。V型8气缸发动机有2个机组A、B，在一个机组A中直列式设置全部气缸中的半数气缸#1～#4，在另一个机组B中直列式设置剩下的半数气缸#5～#8。点火顺序为#1(机组A)→#8(机组B)→#4(机组A)→#3(机组A)→#6(机组B)→#5(机组B)→#7(机组B)→#2(机组A)。当机组A中有点火气缸时，从机组A侧的爆震传感器11输出的振动波形信号通过MPX15被取入到爆震判定电路16，当机组B中有点火气缸时，从机组B侧的的爆震传感器12输出的振动波形信号通过MPX15被取入到爆震判定电路16。
例如，在图6的示例中，点火的机组A的气缸#1的爆震判定区间与机组A的另一气缸#4的吸气阀的就位声音有可能重叠，下一步点火的机组B的气缸#8的爆震判定区间和机组B的另一气缸#5的吸气阀的就位声音有可能重叠。这样，若爆震判定区间和阀的就位声音重叠，则在以前的爆震检测方法中，由于阀的就位声音，会发生检测出的背景水平比实际值大的问题。
为了解决这个问题，爆震判定部19通过执行后面将要叙述到的图2以及图3的各例程，起着背景水平检测装置(或背景水平检测部)的功能，即当判断从滤波处理部18输出的多个频带信号水平中的偏差(具体来说就是多个频带信号水平中最大的信号水平和最小的信号水平之差)为最小(或接近最小)时，以该多个频带信号水平中的至少一个为基础来检测背景水平；并且，起着参数计算装置(或参数计算部)的功能，即以多个频带的信号水平为基础，计算表示爆震特征的爆震特征参数；另外，还起着爆震强度判定装置(或爆震强度判定部)的功能，即比较所述爆震特征参数和所述背景水平来判定爆震强度。下面，将对此爆震判定部19的各功能作进一步具体的说明。
首先说明背景水平的检测方法。例如在LPF(低通滤波器)13、14中，过滤后的振动波形信号的频带分割成例如4个频带F1～F4(参照图4)。各频带F1～F4最好考虑爆震发生时的共振频率来进行设定。例如，最好将3个频带F1～F3设定成分别包括1次、1.5次、2次的共振频率，将剩下的1个频带F4设定为充分远离共振频率的频带(例如1次共振频率的1/2以下的频带)。
在发动机运转中，在按各气缸的每次燃烧行程而设定的爆震判定区间(例如ATDC10℃A～60℃A的区间)内，以规定的采样间隔来抽出每一频带F1～F4信号水平，如图5所示，监视各频带F1～F4信号水平的变化。并且，对判断四个频带F1～F4的信号水平中最大信号水平Fmax和最小信号水平Fmin之差ΔF[Ci]为最小(或接近最小)的曲柄角Cy(在图5的示例中为C2)进行检测，以此曲柄角Cy中的以4个频带F1～F4的信号水平为基础，用下面的任何一种方法计算背景水平BG1。
对判断四个频带F1～F4的信号水平中最大的信号水平Fmax和最小的信号水平Fmin之差ΔF[Ci](＝Fmax-Fmin)为最小的曲柄角Cy进行检测，计算这个曲柄角Cy中4个频带F1～F4的信号水平的平均值Fav[Cy]，将这个平均值作为背景水平BGL。
BGL＝Fav[Cy]＝(F1+F2+F3+F4)/4[背景水平计算方法(之2)]对判断四个频带F1～F4的信号水平中最大的信号水平Fmax和最小的信号水平Fmin之差ΔF[Ci](＝Fmax-Fmin)为最小的曲柄角Cy进行检测，将这个曲柄角Cy中4个频带F1～F4的最小的信号水平作为背景水平BGL。
BGL＝Fmin[背景水平计算方法(之3)]对判断四个频带F1～F4的信号水平中最大的信号水平Fmax和最小的信号水平Fmin之差ΔF[Ci](＝Fmax-Fmin)为最小的曲柄角Cy进行检测，将这个曲柄角Cy中4个频带F1～F4中特定频带的信号水平作为背景水平BGL。这种情况下，特定的频带首选与包含爆震共振频率的频带不同的频带，在本实施例中，将充分远离共振频率的频带F4的信号水平作为背景水平BGL。
BGL＝F4以上述任何一种方法来计算背景水平BGL，进而，根据4个频带F1～F4的信号水平来计算表示爆震特征的爆震特征参数。这个爆震特征参数的计算方法，例如，每一频带F1～F4信号波形的峰值乘以形状相关系数，这些乘积(峰值×形状相关系数)的累加值作为爆震特征参数，该爆震特征参数除以背景水平BGL得到的值就是爆震强度。
爆震特征参数＝∑(峰值×形状相关系数)爆震强度＝爆震特征参数/BGL在这里，形状相关系数是对各频带F1～F4的信号波形和标准爆震波形(理想的爆震波形)之间的相关性进行定量表示的数值，例如，计算爆震判定区间中每一频带F1～F4信号波形的面积与标准爆震波形的面积之比，把这个比值作为形状相关系数。
形状相关系数＝信号波形面积/标准爆震波形面积计算出爆震强度后，将这个爆震强度和爆震判定值进行比较，若爆震强度为爆震判定值以上，则判断为发生超出允许水平的爆震，若爆震强度小于爆震判定值，则判断为没有发生超出允许水平的爆震。
以上说明的爆震判定处理，是根据图2及图3的各例程来执行的。下面，就各例程的处理内容进行说明。
图2的爆震判定主例程，在爆震传感器11，12的输出信号(振动波形信号)的取样周期启动。本例程一启动，首先，在步骤101，爆震判定电路16判断是否在按各气缸的每一燃烧行程而设定的爆震判定区间(例如ATDC10℃A～60℃A之间)，若没有在爆震判定区间，则不进行以后的处理，爆震判定电路16结束本次例程。
另一方面，若在爆震判定区间，则爆震判定电路16进入步骤102，对振动波形信号进行A/D转换后，进入步骤103。在步骤103中，爆震判定电路16抽出4个频带F1～F4的信号水平。之后，爆震判定电路16在步骤104中执行后面要叙述到的图3的背景水平计算例程，对背景水平BGL的计算进行处理，并在步骤105中，运行爆震特征参数计算例程(没有图示)，进行用于根据以4个频带F1～F4的信号水平计算表示爆震特征的爆震特征参数的计算处理。
之后，爆震判定电路16进入步骤106，判断是否在爆震判定区间的结束时刻(背景水平BGL和爆震特征参数是否计算完毕)。若不在爆震判定区间的结束时刻，则爆震判定电路16就此结束本例程，若在爆震判定区间的结束时刻，爆震判定电路16进入步骤107。在步骤107中，将爆震特征参数除以背景水平BGL，将求得的爆震强度与爆震判定值进行比较，若这个爆震强度为爆震判定值以上，则爆震判定电路16判断为发生超出允许水平的爆震，若爆震强度小于爆震判定值，则判断为没有发生超出允许水平的爆震。之后，爆震判定电路16进入步骤108，为使爆震判定结果在点火控制中有所反映，将爆震判定结果输出到微型计算机20，之后本例程结束。
在上述步骤104中，若启动图3的背景水平计算例程，则首先在步骤201中，爆震判定电路16在爆震判定区间内，把对抽出振动波形信号的曲柄角Ci进行识别的计数器i加起来(i的初值为0)。在下一步骤202中，爆震判定电路16把这个计数器i的值和爆震判定区间的结束时刻x进行比较，若计数器i的值超过爆震判定区间的结束时刻x，则爆震判定电路16进入步骤210，计数器i复零，本例程结束。
与之相反，若计数器i的值没有超过爆震判定区间的结束时刻x，则爆震判定电路16进入步骤203，将当前曲柄角Ci的4个频带F1～F4的信号水平相互比较，获得最大的信号水平Fmax。之后，爆震判定电路16进入步骤204，将当前曲柄角Ci的4个频带F1～F4的信号水平相互比较，获得最小的信号水平Fmin。
之后，爆震判定电路16进入步骤205，计算当前曲柄角Ci的4个频带F1～F4的信号水平的平均值Fav[Ci]。之后，爆震判定电路16进入步骤206，计算当前曲柄角Ci的4个频带F1～F4的信号水平中的最大信号水平Fmax和最小信号水平Fmin之差ΔF[Ci](＝Fmax-Fmin)。并且，在接下来的步骤207中，爆震判定电路16判断计数器i的值是否达到爆震判定区间的结束定时x，若没有达到爆震判定区间的结束时刻x，则本例程就此结束。
计数器i的值达到爆震判定区间的结束时刻x时，爆震判定电路16进入步骤208，将四个频带F1～F4的信号水平中最大的信号水平Fmax和最小的信号水平Fmin之差ΔF[Ci]为最小时的曲柄角Ci设定为背景水平检测定时Cy。在下一步骤209中，爆震判定电路16把在这个背景水平检测定时Cy中的4个频带F1～F4的信号水平的平均值Fav[Cy]设定为背景水平BGL，结束本流程。
在以上说明的本实施例中，从爆震传感器11，12输出的振动波形信号中抽出4个频带F1～F4的信号水平，当这4个频带F1～F4的信号水平中的偏差(差ΔF[Ci])为最小时，以这4个频带F1～F4的信号水平为基础来计算背景水平BGL，这是第一个特征。如此，从爆震传感器11，12输出的振动波形信号中抽出4个频带F1～F4的信号水平，当发生爆震或噪声时，爆震或噪声的影响仅对一部分频带显得较大，而对其他频带的影响则比较小。因此，若在多个频带的信号水平之间偏差为最小(或接近最小)的曲柄角位置，以这些频带F1～F4的信号水平为基础计算背景水平BGL，则可以在不受爆震或噪声的影响下高精度地检测出背景水平BGL。
而且，在本实施例中，由于能在按各气缸的每个燃烧行程设定的爆震判定区间内检测背景水平BGL，所以可以不受以前背景水平BGL的历史影响，在各气缸的每个燃烧行程检测背景水平BGL，即使是在瞬时运转时，也可以检测出无响应延迟的、准确的背景水平。
并且，在本实施例中，以多个频带F1～F4的信号水平为基础计算表示爆震特征的爆震特征参数，比较这个爆震特征参数和背景水平BGL来判定爆震强度，这是第2个特征。根据本实施例，由于能够高精度地计算出背景水平BGL，所以若比较这个背景水平BGL和爆震特征参数，则可以求得高精度的爆震强度。
这种情况下，利用背景水平BGL进行爆震强度判定，不仅限于上述实施例，还可以想出各种各样的方法。例如，以背景水平BGL为基准设定爆震判定水平，将这个爆震判定水平和爆震频带的信号水平相比较来进行爆震判定，这当然也是可以的。
并且，在本实施例中，尽管是从爆震传感器11、12输出的振动波形信号中抽出4个频带F1～F4的信号水平，但也可以抽出5个以上的频带的信号水平或2个及3个频带的信号水平。
还有，在本实施例中，尽管作为检测发动机爆震振动的振动波形检测装置(或振动波形检测部)使用了检测气缸体振动的爆震传感器11、12，但也可以替代它而使用检测气缸内压的气缸内压传感器，或使用通过火花塞等检测气缸内发生离子电流的离子电流检测装置(或离子电流检测部)，或使用以曲柄角传感器输出脉冲的间隔等为基础，检测发动机旋转变动的旋转变动检测装置(或旋转变动检测部)。在上面任何一种情况下，都可以输出与发动机爆震振动相对应的振动波形信号。
本发明不仅限于V型发动机，也适用于直列发动机或水平对置发动机，并且，气缸的数目也不限于8个，而是可以广泛适用于各种气缸数目的发动机。另外，不论有无可变阀机构，本发明都可适用。本发明也适用于任何一种缸内喷射式发动机、吸气直接喷射发动机。
权利要求
1.一种爆震检测装置，其特征在于，包括振动波形检测部，输出与内燃机的爆震振动相对应的振动波形信号；信号水平抽出部，对从所述振动波形检测部输出的振动波形信号的信号水平，按多个频带分别进行抽出；和背景水平检测部，当从所述信号水平抽出部输出的多个频带信号水平之间的偏差被判断为最小或接近最小时，其根据所述多个频带信号水平中的至少一个来检测背景水平。
2.如权利要求1所述的爆震检测装置，其特征在于，还包括参数计算部，根据从所述信号水平抽出部输出的多个频带信号水平，计算表示爆震特征的爆震特征参数；和爆震强度判定部，将所述爆震特征参数与所述背景水平进行比较来判定爆震强度。
3.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，当从所述信号水平抽出部输出的多个频带信号水平之间的偏差被判断为最小或接近最小时，所述背景水平检测部将所述多个频带信号水平的平均值作为所述背景水平进行检测。
4.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，当从所述信号水平抽出部输出的多个频带信号水平之间的偏差被判断为最小或接近最小时，所述背景水平检测部将所述多个频带信号水平中的最小信号水平作为所述背景水平进行检测。
5.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，当从所述信号水平抽出部输出的多个频带信号水平之间的偏差被判断为最小或接近最小时，所述背景水平检测部将所述多个频带信号水平中特定频带的信号水平作为所述背景水平进行检测。
6.如权利要求5所述的爆震检测装置，其特征在于，所述的特定频带是与包含爆震共振频率的频带不同的频带。
7.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，所述背景水平检测部在按内燃机各气缸的每个燃烧行程而设定的规定期间内检测所述背景水平。
8.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，所述振动波形检测部是检测内燃机气缸体振动的爆震传感器。
9.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，所述振动波形检测部是检测内燃机气缸内压的气缸内压传感器。
10.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，所述振动波形检测部是检测内燃机气缸内产生的离子电流的离子电流检测部。
11.如权利要求1或2所述的爆震检测装置，其特征在于，所述振动波形检测部是检测内燃机旋转变动的旋转变动检测部。
12.一种爆震检测方法，其特征在于，包括输出与内燃机的爆震振动相对应的振动波形信号的步骤；对所述输出的振动波形信号的信号水平按多个频带分别进行抽出的步骤；和当所述抽出的多个频带信号水平之间的偏差被判断为最小或接近最小时，根据所述多个频带的信号水平中的至少一个来检测背景水平的步骤。
13.如权利要求12所述的爆震检测方法，其特征在于，还包括根据所述抽出的多个频带信号水平来计算表示爆震的特征的爆震特征参数的步骤；和将所述爆震特征参数与所述背景水平进行比较来判定爆震强度的步骤。
全文摘要
本发明提供了一种爆震检测装置以及爆震检测方法。在滤波处理部(18)对从爆震传感器(11，12)输出的振动波形信号的信号水平按多个频带分别进行抽出。当这些多个频带信号水平之间的偏差最小时，计算所述多个频带的信号水平的平均值，将该平均值作为背景水平进行检测。将根据多个频带信号水平而计算的表示爆震的特征的爆震特征参数与背景水平进行比较，从而求得爆震强度。若这个爆震强度为爆震判定值以上，则判断为发生超出允许水平的爆震；若爆震强度小于爆震判定值，则判断为没有发生超出允许水平的爆震。据此，就可以在不受爆震或噪声的影响下精确地检测出爆震传感器输出的背景水平。
文档编号G01L23/00GK1683912SQ200510064609
公开日2005年10月19日 申请日期2005年4月15日 优先权日2004年4月15日
发明者井上正臣, 竹村优一, 枡田哲, 笠岛健司, 金子理人 申请人:丰田自动车株式会社