用于内燃机的爆震判定设备和爆震判定方法

专利名称：用于内燃机的爆震判定设备和爆震判定方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的爆震判定设备和爆震判定方法，并具体而 言，涉及基于内燃机的振动的波形来判定是否已经发生爆震的技术。
背景技术：
已经提出了各种用于检测在内燃机中发生爆震(knock)的方法。例 如，有一种当内燃机的振动的强度大于阈值时判定为已经发生爆震的技 术。然而，存在这样的情况，尽管尚未发生爆震，但是诸如当进气门或者 排气门关闭时发生的振动之类的噪音的强度还是大于阈值。在此情况下， 尽管尚未发生爆震，也会错误地判定为己经发生爆震。因而，为了考虑除 了强度以外的、诸如振动发生时的曲轴转角和衰减率之类的特性，已经提 出了一种基于振动的波形来判定是否已经发生爆震的技术。
日本专利公开No. 2005-330954公开了一种使用振动的波形来精确地 判定是否已经发生爆震的、用于内燃机的爆震判定设备。在日本专利公开 No. 2005-330954中公开的爆震判定设备包括曲轴转角检测单元，其用于 检测内燃机的曲轴转角；振动检测单元，其用于检测与内燃机的振动的强 度相关的值；波形检测单元，其用于基于通过将与振动的强度相关的值除 以与振动的强度相关的检测值中最大的一个检测值所确定的值，来在曲轴 转角的预定范围检测内燃机的振动的波形；存储单元，其用于预先存储内 燃机的振动的波形；以及判定单元，其用于基于检测到的波形和存储的波 形之间的比较结果来判定在内燃机是否已经发生爆震。判定单元基于检测 到的波形与存储的波形的偏差的值来判定是否已经发生爆震。通过将各个 差(每个均为检测到的波形的强度与存储波形的强度之差)针对各个曲轴 转角求得的和值除以通过将存储波形的强度对曲轴转角进行积分所确定的 值，来计算表示偏差的值。关于在以上参考文献中公开的爆震判定设备，曲轴转角检测单元检测 内燃机的曲轴转角，振动检测单元检测与振动的强度相关的值，波形检测 单元基于与振动的强度(幅度)相关的值在曲轴转角的预定范围内检测与 振动的强度相关的值。存储单元预先存储内燃机的振动的波形，并且判定 单元基于检测到的波形与存储的波形之间的比较结果来判定在内燃机中是 否己经发生爆震。因而，例如通过实验等制备并预先存储作为当爆震发生 时的振动的波形的爆震波形模型，并将爆震波形模型和检测到的波形彼此 进行比较。以此方式，能判定是否已经发生爆震。因而，能更详细地分析 发动机的任何振动是否是由于爆震引起的振动。结果，能精确地判定是否 己经发生了爆震。
然而，在日本专利公开No. 2005-330954中公开的爆震判定设备检测 通过将与振动的强度相关的值除以其最大值来将波形归一化。因而，不管 检测到的强度是大还是小，检测到的波形的最大强度始终为"1"。因 而，即使原先除以最大值之前的强度较小，如果检测到的波形的形状类似 于存储的波形的形状，则表示波形的偏差的值也很可能是与表示爆震的值 相似。这是如下原因。通过将存储波形的强度对曲轴转角进行积分所确定 的值(即，存储波形的面积)比检测到的波形的强度和存储波形的强度之 间的差相对更大，因而强度的差的影响相对较小。于是，尽管事实上尚未 发生爆震，但是仍会错误地判定为已经发生爆震。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于内燃机的爆震判定设备和爆震判定方 法，利用该装置和方法，能精确地判定是否己经发生爆震。
根据本发明的一方面， 一种用于内燃机的爆震判定设备，包括曲轴 位置传感器，其检测所述内燃机的曲轴转角；爆震传感器，其检测所述内 燃机的振动的强度，所述强度与曲轴转角相关联；以及演算单元。所述演 算单元基于所述内燃机的振动的强度来检测在曲轴转角的第一间隔中的振 动的波形，基于在曲轴转角的第二间隔中的、检测到的所述波形的强度和 波形模型(所述波形模型被预先确定为所述内燃机的振动的基准波形)的强度之间的差来计算第一值，计算第二值，使得所述内燃机的输出轴的转数越小，所述第二值就越小，基于所述笫一值和所述第二值来计算第三值，并且基于所述第三值来判定在所述内燃机中是否已经发生爆震。
利用上述构造，检测内燃机的曲轴转角。与曲轴转角相关联地检测内测内燃机的振动的强度。基于该强度，检测曲轴转角第一间隔中振动的波形。基于在曲轴转角的第二间隔中的、检测到的波形的强度和波形模型的强度之差来计算第一值，所述波形模型被预先确定为内燃机的振动的基准波形。因而，能获得依赖于检测到的波形和波形模型各自强度之间的差而变化的第一值。此外，计算第二值，使得内燃机的输出轴的转数越小，第二值就越小。基于第一值和第二值，计算第三值。因而在内燃机输出轴的转数相对较小的情况下，与其转数相对较大的情况相比，能使得第二值的影响较小。因而，在内燃机输出轴的转数相对较小的情况下，与其转数相对较大的情况相比，能使第一值的影响相对较大。结果，即使检测到的波形和波形模型各自的强度之间的差较小，检测到的波形和波形模型各自强度之间的差也能在很大程度上被反映于第三值。基于第三值，来判定在内燃机中是否已经发生爆震。因而，在尽管事实上尚未发生爆震然而检测到的波形和波形模型各自的强度之间的差较小的情况下，能正确地判定出尚未发生爆震。反之，在内燃机输出轴的转数较大的情况下，与其转数较小的情况相比，能使第二值的影响较大。因而，在内燃机输出轴的转数较大的情况下，检测到的波形和波形模型各自的强度之间差的影响可以受到限制。结果，能精确地判定是否已经发生爆震。
优选地，所述演算单元设定所述第二间隔，使得所述内燃机的所述输出轴的转数越小，所述第二间隔就越小。
利用以上所述构造，第二间隔被设定成内燃机的输出轴的转数越小，第二间隔就越小，这是因为在内燃机输出轴的转数较小的情况下，与其转数较大的情况相比，检测到由于爆震引起的振动的曲轴转角的范围更小。因而，从使用检测到波形和波形模型之差所在的曲轴转角中，能去除不太可能发生由于爆震引起的振动的任何曲轴转角。因而，能精确地判定是否已经发生爆震。更优选地，所述演算单元通过将所述第二间隔中的各个差相加来计算 所述第一值，所述各个差每个均为检测到的所述波形的强度和所述波形模 型的强度之间的差。在所述内燃机的所述输出轴的转数是第一转数的情况 下，所述演算单元通过将所述第二间隔中的、每个均为从所述波形模型的 强度减去正的基准值确定的各个值相加来计算所述第二值，在所述内燃机 的所述输出轴的转数是大于所述第一转数的第二转数的情况下，所述演算 单元通过将所述第二间隔中的所述波形模型的强度相加来计算所述第二 值。所述演算单元通过将所述第一值除以所述第二值来计算所述第三值。 在所述第三值小于预定值的情况下，所述演算单元判定为在所述内燃机中 已经发生爆震。
利用上述构造，通过将第二间隔中的检测到的波形的各个强度和波形 模型的各个强度之间的各个差相加来计算第一值。在内燃机的输出轴的转 数是第一转数的情况下，将每个均为通过在第二间隔中从波形模型的强度 减去正的基准值确定的各个值相加来计算第二值。在内燃机的输出轴的转 数是大于第一转数的第二转数的情况下，通过在第二间隔中将波形模型的 强度相加来计算第二值。通过将第一值除以第二值来计算第三值。在第三 值小于预定值的情况下，判定为在内燃机中已经发生爆震。因而，能使用 检测到的波形和波形模型各自的强度之间的差与波形模型的强度之间的相 对关系，来判定是否已经发生爆震。因而，即使在检测到的波形和波形模 型各自的强度之间的差较小的情况下，如果从波形模型的强度考虑到不太 可能发生爆震，则能正确地判定出尚未发生爆震。
更优选地，所述演算单元对检测到的所述波形的强度的最小值进行， 并将所述基准值设定为检测到的所述波形的强度的所述最小值。
利用上述构造，将基准值设定为检测到的波形的强度的最小值。因 而，从波形模型中，能去除小于最小值的部分。因而，将降低波形模型的 强度的影响。
更优选地，所述演算单元检测多个点火周期中强度的各个最小值，所 述最小值每个均为检测到的所述波形的强度的最小值，并且所述演算单元 将所述基准值设定为通过将所述最小值的标准偏差与系数的乘积加上所述最小值的中间值确定的值。
利用上述构造，将基准值设定为通过将最小值的标准偏差与系数的乘
积加上最小值的中值确定的值。从波形模型中，能去除比通过将最小值的
标准偏差与系数的乘积加上最小值的中值确定的值更小的部分。因而，能
降低波形模型的强度的影响。
更优选地，所述演算单元将所述基准值限制为预定值以下。 利用上述构造，将基准值限制为预定值以下。因而，能防止基准值变
成过大。
更优选地，所述演算单元计算检测到的所述波形的强度的最小值和与 检测到的所述波形上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转 角处的强度的平均值，并将所述基准值设定为所述平均值。
利用上述构造，将基准值设定为检测到的波形的强度的最小值和在与 检测到的波形上出现强度的最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强 度的平均值。因此，从波形模型中，能去除小于平均值的部分。因而，能 降低波形模型的强度的影响。
更优选地，所述演算单元计算多个点火周期中的各个平均值，所述平 均值每个均为检测到的所述波形的强度的最小值和在与检测到的所述波形 上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均 值，并且将所述基准值设定为通过将所述平均值的标准偏差与系数的乘积 加上所述平均值的中值所确定的值。
利用上述构造，将基准值设定为通过将平均值的标准偏差与系数的乘 积加上平均值的中值确定的值。因此，从波形模型中，能去除比通过将平 均值的标准偏差与系数的乘积加上平均值的中值确定的值更小的部分。因 而，能降低波形模型的强度的影响。
更优选地，所述基准值是恒定值。
利用上述构造，从波形模型中，能去除小于恒定值的部分。因而，能 降低波形模型的强度的影响。


图1是由作为本发明第一实施例的爆震判定设备的发动机ECU控制 的发动机的示意构造图。
图2示出了当发生爆震时在发动机中产生的振动的频带。
图3是示出了发动机ECU的控制框图。 图4是示出了发动机的振动波形的(第一)图。 图5是以比较方式示出了振动波形和爆震波形模型的(第一)图。 图6是示出了爆震波形模型的图。
图7是示出了其中将振动波形和爆震波形模型彼此比较的比较区间的 (第一)图。
图8是示出了用于计算相关系数K的面积S的(第一)图。 图9是示出了用于计算相关系数K的面积S的(第二)图。 图IO是示出用于计算爆震强度N的合成波形的强度之和的图。 图11是作为本发明第一实施例的爆震判定设备的发动机ECU的功能 框图。
图12是示出了由作为本发明第一实施例的爆震判定设备的发动机
ECU执行的程序的控制结构的流程图。
图13是示出了用于计算相关系数K的面积S的(第三)图。
图14是示出了彼此比较的振动波形和爆震波形模型的(第二)图。
图15是示出了用于计算相关系数K的面积S的(第四)图。
图16是示出了发动机的振动波形的(第二)图。
图17是作为本发明第二实施例的爆震判定设备的发动机ECU的功能框图。
图18是示出了强度的最小值的频率分布的图。
图19是示出了由作为本发明第二实施例的爆震判定设备的发动机 ECU执行的程序的控制结构的流程图。
图20是作为本发明第三实施例的爆震判定设备的发动机ECU的功能 框图。
图21是示出了由作为本发明第三实施例的爆震判定设备的发动机 ECU执行的程序的控制结构的流程图。图22是作为本发明第四实施例的爆震判定设备的发动机ECU的功能 框图。
图23是示出为设定基准值而计算的平均值的图。
图24是示出了由作为本发明第四实施例的爆震判定设备的发动机 ECU执行的程序的控制结构的流程图。
图25是作为本发明第五实施例的爆震判定设备的发动机ECU的功能 框图。
图26是平均值的频率分布的图。
图27是示出了由作为本发明第五实施例的爆震判定设备的发动机 ECU执行的程序的控制结构的流程图。
图28是示出其中将振动波形和爆震波形模型彼此比较的比较区间的 (第二)图。
具体实施例方式
以下将参考附图描述本发明的实施例。在以下描述中，由相同的附图 标记来表示相同的部件。其名称和功能也相同。因此，将不再重复对其的 详细描述。
第一实施例
参考图1，将描述配备有根据本发明实施例的爆震判定设备的车辆所 具有的发动机100。发动机100设置有多个气缸。通过例如由发动机ECU (电子控制单元)200执行的程序来实现本实施例的爆震判定设备。由发 动机ECU 200执行的程序可以被记录在记录介质上以在市场上分发，所述 记录介质例如CD (紧凑盘)或DVD (数字通用盘)。
发动机IOO是这样的内燃机其中，从空气滤清器102吸入的空气和 从喷射器104喷射的燃料组成的空气燃料混合物由火花塞106点燃并在燃 烧室中燃烧。尽管点火正时被控制在使输出转矩最大的MBT (Minimum advance for Best Torque,用于最佳转矩的最小提前)，但根据发动机100 的运转状态(例如在发生了爆震时)，来延迟或提前点火正时。
当空气燃料混合物燃烧时，燃烧压力将活塞108向下推动，曲轴110旋转。燃烧之后的空气燃料混合物(排气)由三元催化剂112净化并随后
排放到车辆外部。被吸入发动机100中的空气量由节气门114调节。
发动机100由发动机ECU 200控制。爆震传感器300、水温传感器 302、被设置成面对正时转子304的曲轴位置传感器306、节气门开度传感 器308、车速传感器310、点火开关312以及空气流量计314连接到发动 机ECU 200。
爆震传感器300设置在发动机100的气缸体上。爆震传感器300由压 电元件形成。爆震传感器300响应于发动机100的振动而产生电压。电压 的大小对应于振动的大小。爆震传感器300向发动机ECU 200发送表示该 电压的信号。水温传感器302检测发动机100的水套中冷却剂的温度，并 向发动机ECU 200发送表示检测结果的信号。
正时转子304设置在曲轴IIO上并随着曲轴IIO—起旋转。正时转子 304的外周上以预定间隔设有多个突起。曲轴位置传感器306设置成面对 着正时转子304的这些突起。在正时转子304旋转时，正时转子304的突 起与曲轴位置传感器306之间的气隙发生改变，因而经过曲轴位置传感器 306的线圈部分的磁通量增大/减小，从而在线圈部分中产生电动势。曲轴 位置传感器306向发动机ECU 200发送表示该电动势的信号。发动机 ECU 200根据从曲轴位置传感器306发送的信号，来检测曲轴110的曲轴 转角和转数。
节气门开度传感器308检测节气门开度，并向发动机ECU 200发送表 示检测结果的信号。车速传感器310检测车轮(未示出)的转数，并向发 动机ECU 200发送表示检测结果的信号。发动机ECU 200根据车轮的转 数来计算车速。在要使发动机100起动时，由驾驶员接通点火开关312。 空气流量计314检测进入发动机100的进气量，并向发动机ECU 200发送 表示检测结果的信号。
发动机ECU 200由作为电源的辅助电池320所供应的电力来工作。发 动机ECU 200根据从各个传感器和点火开关312发送的信号以及ROM (只读存储器)202中储存的对照图和程序来执行计算，并控制相关设备 以使得发动机IOO在期望的状态下运转。在本实施例中，发动机ECU 200根据从爆震传感器300发送的信号以 及曲轴转角，对处于预定爆震检测区间(即，从预定第一曲轴转角到预定 第二曲轴转角的部分)内发动机100的振动的波形(此后将该波形简称为 "振动波形")进行检测，并基于检测到的振动波形来判定发动机100中 是否己经发生爆震。本实施例的爆震检测区间是从燃烧行程中的上止点 (0°)到90。的区间。爆震检测区间并不限于此。
当发生爆震时，在发动机100中产生频率在图2中的实线所示的频率 附近的振动。爆震引起的振动的频率不是恒定的，而是具有特定的频带。
如果在相对较宽的频带中检测到振动，则很可能包括除了爆震引起的 振动以外的噪音(例如，缸内喷射器或进气/排气门落座引起的振动)。
反之，如果在相对较窄的频带中检测到振动，则包括在检测到的振动 的强度中的噪音成分受到抑制，同时噪音成分的特征部分(诸如，振动发 生的时机及其衰减率)也从振动波形中去除。在此情况下，如果振动实际 上是由于噪音成分引起的，则检测到不包括噪音成分的振动波形，即，与 当爆震发生时检测到的振动波形相似的振动波形。因而，在此情况下，基 于振动波形难以将由于爆震引起的振动与由于噪音引起的振动区分开。
因而，在本实施例中，为了精确地捕获爆震特有的振动，在设定成具 有更小频带的第一频带A、第二频带B和第三频带C中检测振动。
另一方面，为了在已经发生噪音时在对噪音进行考虑的情况下来判定 是否已经发生爆震，在包括第一至第三频带A至C的更宽的第四频带D 中检测振动，以捕获噪音。
如图3所示，发动机ECU 200包括A/D (模拟/数字)转换器400、带 通滤波器(1) 411、带通滤波器(2) 412、带通滤波器(3) 413、带通滤 波器(4) 414、以及积分单元420。
带通滤波器(1) 411仅允许从爆震传感器300发送的信号中第一频带 A的信号通过。换言之，从由爆震传感器300检测到的振动中，仅第一频 带A的振动被带通滤波器(1) 411提取。
带通滤波器(2) 412仅允许从爆震传感器300发送的信号中第二频带 B的信号通过。换言之，从由爆震传感器300检测的振动中，仅第二频带B的振动被带通滤波器(2) 412提取。
带通滤波器(3) 413仅允许从爆震传感器300发送的信号中第三频带 C的信号通过。换言之，从由爆震传感器300检测的振动中，仅第三频带 C的振动被带通滤波器(3) 413提取。
带通滤波器(4) 414仅允许从爆震传感器300发送的信号中第四频带 D的信号通过。换言之，从由爆震传感器300检测的振动中，仅第四频带 D的振动被带通滤波器(4) 414提取。
积分单元420将由带通滤波器(1) 411至带通滤波器(4) 414所选择 的信号(即，振动的强度)对于每五度的曲轴转角进行积分(以下，还称 为5°积分值。针对每个频带计算5。积分值。
此外，与曲轴转角相关联地将针对第一至第三频带A至C计算的各个 积分值相加在一起。换言之，将第一至第三频带A至C的各个振动波形组 合成合成波形。
因而，在图4所示的本实施例中，由第一至第三频带A至C形成的合 成波形和第四频带D的振动波形用作发动机100的振动波形。第四频带D 的振动波形(5°积分值)未被组合，而是单独使用。
在检测到的振动波形中，如图5所示，在从强度最大的曲轴转角开始 的曲轴转角的范围中，将第四频带D的振动波形与爆震波形模型进行比 较。该爆震波形模型被限定为发动机100的基准振动波形。在本实施例 中，每次检测到第四频带D内的振动波形时，设定爆震波形模型的强度。 即，针对每个点火周期确定爆震波形模型的强度。
基于第四频带D的振动波形的强度(5°积分值)来设定爆震波形模 型的强度。更具体地，将该强度设定成使得爆震波形模型的最大强度与第 四频带D的振动波形的最大强度相同。
根据发动机速度NE和发动机100的负荷来设定除了最大强度以外的 强度。更具体地，根据使用发动机速度NE和发动机100的负荷作为参数 的对照图来设定在各曲轴转角处的强度相对于相邻曲轴转角处的强度的衰 减率。
因而，例如在衰减率为25%并且设定20°的曲轴转角范围内的强度的情况下，如图6所示，强度随着每单位曲轴转角减小25%。此处，设定爆 震波形模型的强度的方法不限于以上所述的方法。
在比较区间内将振动波形与爆震波形模型彼此比较。根据发动机速度
NE设定比较区间。如图7所示，比较区间被设定为使得发动机速度NE越 小，比较区间就越小。可以根据发动机100的负荷设定比较区间。
在本实施例中，发动机ECU 200计算相关系数K，相关系数K表示振 动波形与爆震波形模型的相似程度(表示振动波形和爆震波形模型之间的 偏差)。使振动波形的振动强度最大的时机与爆震波形模型的振动强度最 大的时机对准，然后针对每个曲轴转角(每5° )计算振动波形的强度和 爆震波形模型的强度之间的差的绝对值(偏差量)，由此计算相关系数 K。可以替代地针对每个非5°的曲轴转角来计算振动波形的强度和爆震 波形模型的强度之间的差的绝对值。
假定对于各个曲轴转角，振动波形的强度与爆震波形模型的强度之间 的差的绝对值为AS(I) (I为自然数)。如图8中的斜线所示，假定比较区 间中爆震波形模型的强度之和(即，比较区间中爆震波形模型的面积)为 S，则相关系数K由以下等式(1)来计算
K=(S-SAS(I)) / S ... (1) 其中，SAS(I)为比较区间中AS(I)的总和。
在本实施例中，在发动机速度NE小于阈值NE (1)的情况下，如图 8中的斜线所示，在比较区间中通过从爆震波形模型的强度减去正的基准 值确定的各个值之和被用作爆震波形模型的面积S。 g卩，在比较区间中， 不小于基准值的强度所占据的面积被用作爆震波形模型的面积S。反之， 在发动机速度NE不小于阈值NE (1)的情况下，如图9中的斜线所示， 使用比较区间中爆震波形模型的整个面积S来计算相关系数K。作为基准 值，例如使用第四频带D中的振动波形的最大强度。计算相关系数K的方 法不限于以上所述的方法。
此外，如图IO中的斜线所示，发动机ECU 200使用第一至第三频带 A至C的合成波形的5°积分值的和值来计算爆震强度N。
假定合成波形的5°积分值的和值为P，并且表示在发动机100中不发生爆震的状态下发动机100的振动强度的值为BGL (Back Ground Level,背景水平)。于是，使用等式N=P/BGL来计算爆震强度N。 BGL 是预先例如基于模拟或实验而确定的，并储存在ROM 202中。计算爆震 强度N的方法不限于以上所述的方法。
在本实施例中，发动机ECU 200将计算得到的爆震强度N与ROM 202中存储的阈值V (J)进行比较，还将相关系数K与存储在ROM 202 中的阈值K (0)进行比较，以针对每个点火周期判定发动机100中是否 发生了爆震。
参照图11，将描述作为本实施例的爆震判定装置的发动机ECU 200 的功能。以下描述的功能可以由软件来实现或者由硬件来实现。
发动机ECU 200包括曲轴转角检测单元210、强度检测单元220、波 形检测单元230、区间设定单元240、最小值检测单元250、基准值设定单 元260、相关系数计算单元270、爆震强度计算单元280、以及爆震判定单 元290。
曲轴转角检测单元210基于从曲轴转角位置传感器306发送的信号来 检测曲轴转角。
强度检测单元220基于从爆震传感器300发送的信号来检测爆震检测 区间中振动的强度。与曲轴转角相关联地检测振动的强度。此外，由爆震 传感器300的输出电压值表示振动的强度。可以由与爆震传感器300的输 出电压值对应的值来表示振动的强度。
波形检测单元230通过针对每5°曲轴转角对振动的强度进行积分来 检测爆震检测区间中的振动波形。
区间设定单元240设定振动波形和爆震波形模型彼此比较的比较区 间，使得发动机速度NE越小，该区间就越小。
最小值检测单元250检测第四频带D的振动波形的强度的最小值。基 准值设定单元260将第四频带D的振动波形的强度的最小值设定为基准 值。针对每个点火周期执行最小值的检测和基准值的设定。目卩，在多个点 火周期中的每个周期中，检测最小值，并设定基准值。
相关系数计算单元270计算相关系数K。爆震强度计算单元280计算爆震强度N。在爆震强度N大于阈值V (J)并且相关系数K大于阈值K (0)的情况下爆震判定单元290判定为已经发生爆震。
以上所述的等式(1)可以变换为
k=l-i:as(i)/s ... (2)
等式(2)可以进一步变换成
SAS(I)/S=1-K …(3)
因而，相关系数K大于阈值K (0)的事实与SAS(I)/S小于l-K (0) 的事实相同。
参照图12，将描述由作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU200 执行的程序的控制结构。以下所描述的程序以预定的周期(例如，每个点 火周期)重复执行。
在步骤100 (下文中，"步骤"将简写为"S")，发动机ECU 200 根据从曲轴位置传感器306发送的信号检测曲轴转角。
在S102,发动机ECU 200根据从爆震传感器300发送的信号与曲轴 转角相关联检测发动机100的振动强度。
在S104，发动机ECU 200通过针对每5°曲轴转角(5° )对爆震传 感器300的输出电压值(各表示振动的强度)进行积分来计算5°积分 值，以检测发动机IOO的振动波形。g卩，检测第一至第三频带A至C中的 合成波形和第四频带D中的振动波形。
在S106，发动机ECU 200基于从曲轴转角传感器306发送的信号检 测发动机速度NE。在S108，发动机ECU 200设定其中将振动波形和爆震 波形模型彼此比较的比较区间，使得发动机速度NE越小，比较区间越 小。
在SllO，发动机ECU 200检测第四频带D的振动波形的强度的最小 值。在SI 12，发动机ECU 200将基准值设定为第四频带D的振动波形的 强度的最小值。
在S114，发动机ECU计算相关系数K。在S116，发动机ECU 200计 算爆震强度N。
在S118，发动机ECU 200判定相关系数K是否大于K (0)，爆震强度N是否大于阈值V (J)。当相关系数K大于阈值K (0)并且爆震强度 N大于V (J)时(在S118中的"是")，处理进行到S120。否则(在 S118中的"否")，处理进行到S124。
在S120，发动机ECU 200判定为已经发生爆震。在S122，发动机 ECU 200将点火正时延迟。
在S124，发动机ECU 200判定为尚未发生爆震。在S126，发动机 ECU200将点火正时提前。
基于以上所述的结构和流程描述作为本实施例的爆震判定设备的发动 机ECU 200的操作。
当发动机200正在运转的同时，根据从曲轴位置传感器306发送的信 号来检测曲轴转角(S100)。根据从爆震传感器300发送的信号，与曲轴 转角相关联地检测发动机100的振动强度(S102)。计算5°积分值以检 测发动机100的振动波形(S104)。
此外，根据从曲轴位置传感器306发送的信号，检测发动机速度NE (S106)。设定用于比较振动波形和爆震波形模型的比较区间，使得发动 机速度NE越小，该区间越小(S108)。此外，检测第四频带D的振动波 形的强度的最小值(S110)。将基准值设定为第四频带D的振动波形的强 度的最小值(S112)。
如图13所示，在发动机速度NE小于阈值NE (1)的情况下，各通过 从爆震波形模型的强度减去正的基准值确定的值之和被用作爆震波形模型 的面积S，以计算相关系数K (S114)。
因而，能降低爆震波形模型的强度自身对相关系数K的影响。因而， 可以使振动波形的强度和爆震波形模型的强度之差对相关系数K的影响相 对较大。
然而，如图14所示，在发动机速度NE较大的状态下，第四频带D 的振动波形的强度的最小值(即，基准值)会相对较大。因而，如果各个 通过从爆震波形模型的强度减去基准值确定的值之和被用作爆震波形模型 的面积S，则面积S比所要求的更小。
因而，如图15所示，在发动机NE不小于阈值NE (1)的情况下，将比较区间中的爆震波形模型的整个面积S用来计算相关系数K (S114)。 因而，爆震波形模型的面积S对相关系数K的影响会增大。因而，能使振 动波形的强度和爆震波形模型的强度之差对相关系数K的影响相对较小。 结果，强度差的影响受到限制。
在发动机速度NE较小的情况下，相比在发动机速度NE较大的情况 下，例如曲轴转角每秒的变化量更小。相反，不管发动机速度NE如何， 由于爆震引起振动发生的时间长度大致恒定。
因而，如图16所示，与发动机速度NE较大的情况相比，在发动机速 度NE较小的情况下检测由于爆震引起的振动的曲轴转角间隔更短。因 而，在本实施例中，基于通过在被确定成发动机速度NE越小则比较区间 越小的比较区间中将振动波形的各个强度和爆震波形模型的各个强度之间 的差加起来确定的值，来计算相关系数K。以此方式，从使用振动波形和 爆震波形模型之差的区间中，去除了不太可能发生由于爆震引起的振动的 区间。
除了相关系数K之外，第一至第三频带A至C的合成波形的强度的 之和被用来计算爆震强度N (S116)。
当相关系数K大于阈值K (0)并且爆震强度N大于阈值V (J)时 (在S118中的"是")，判定为已经发生爆震(S120)。在此情况下， 使点火正时延迟(S122)。
反之，当相关系数K不大于阈值K (0)或者爆震强度N不大于阈值 V (J)时(在S118中的"否")，判定为尚未发生爆震(S124)。在此 情况下，使点火正时提前(S126)。
如上所述，当发动机速度NE小于阈值NE (1)时，作为本实施例的 爆震判定设备的发动机ECU使用各个通过从爆震波形模型的强度减去正 的基准值确定的值之和作为爆震波形模型的面积S，以计算相关系数K。 因而，能降低爆震波形模型的强度自身对相关系数K的影响。因而，能使 振动波形的强度和爆震波形模型的强度之差对相关系数K的影响相对较 大。此相关系数K用来判定是否己经发生爆震。以此方式，尽管尚未发生 爆震，但振动波形和波形模型的各个强度之差较小的情况下，也能正确地判定尚未发生爆震。反之，在发动机速度NE不小于阈值NE (1)的情况 下，比较区间中爆震波形模型的整个面积S被用来计算相关系数K。因 而，能使振动波形和爆震波形模型的各个强度之差对相关系数K的影响相 对较小。因而，能限制振动波形和爆震波形的各个强度之差对相关系数K 的影响。结果，能精确地确定是否已经发生爆震。 第二实施例
以下，将描述本发明的第二实施例。本实施例与以上所述第一实施例 不同之处在于基于振动波形的最小值的频率分布来设定基准值。诸如发动 机100的自身构造之类的其他特征与第一实施例相同，并且它们功能也相 同。因而，此处将不重复其详细的描述。
参照图17，将描述作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 的功能。以下描述的功能可以由软件实现或者硬件来实现。本实施例和第 一实施例的相同功能由相同的附图标记来表示。因而，此处将不再重复其 详细描述。
在本实施例中，基准值设定单元262基于第四频带D的振动波形的强 度的最小值的频率分布来设定基准值。如图18所示，基准值被设定成通 过将最小值的标准偏差与系数的乘积加上最小值的中值所确定的值。系数 例如是"2"。用于设定基准值的最小值例如是200个点火周期中的各个 最小值。当设定基准值时，最小值经历了对数变换来使用。因而，使用频 率分布设定的基准值经历了逆对数变换来使用。
参照图19，将描述由作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU200 执行的程序的控制结构。与第一实施例相同的处理步骤用相同的步骤标号 来表示。因而，此处将不在重复其详细描述。
在S200，发动机ECU 200将基准值设定为通过将最小值的标准偏差 与系数的乘积加上最小值的中值所确定的值。以此方式，同样能实现类似 于第一实施例的效果。
第三实施例
以下，将描述本发明的第三实施例。本实施例与以上所述第二实施例 不同在于将基准值限制为预定值以下。诸如发动机100的自身构造之类的其他特征与以上所述第一实施例相同。它们的功能也相同。因而，此处将 不再重复其详地描述。
参照图20，将描述作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU200的 功能。以下所描述的功能可以由软件实现或者由硬件实现。本实施例和以 上所述第一或者第二实施例相同的功能由相同的附图标记表示，并且此处 将不再重复其详地描述。
发动机ECU 200还包括限制单元264。限制单元264将基准值限制为 上限以下。上限例如是最小值的中值的两倍大。上限不限于此。可选地， 上限可以设定成恒定值。
参照图21，将描述由作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 执行的程序的控制结构。与以上所述第一或者第二实施例相同的处理步骤 用相同的步骤号来表示，此处将不再重复其详细描述。
在S300，发动机ECU 200判定基准值是否等于或者小于上限。当基 准值等于或者小于上限时(在S300中的"是")，处理进行到S114。否 则(在S300中的"否")，处理进行到S302。在S302，发动机ECU 200 将基准值设定为上限。以此方式，能实现类似于以上所述第一实施例的效 果。
第四实施例
以下，将描述本发明第四实施例。本实施例与以上所述第一实施例不 同在于将基准值设定为振动波形的最小强度和与振动波形上出现最小强度 处的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均值。诸如发动机100的自身 构造之类的其他特征与以上所述第一实施例相同。它们的功能也相同。因 而，此处将不再重复其详地描述。
参照图22，将描述作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 的功能。以下所描述的功能可以由软件实现或者由硬件实现。本实施例和 以上所述第一实施例相同的任何功能由相同的附图标记表示，并且此处将 不再重复其详地描述。
在本实施例中，如图23所示，基准值设定单元266计算第四频带D 内的振动波形的强度(5°积分值)的最小值和在与振动波形的强度具有最小值的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均值。例如，通过将与15 °的曲轴转角对应的5°积分值除以3来计算平均值。此外，基准值设定
单元266将基准值设定为计算得到的平均值。在每个点火周期中执行平均 值的计算和基准值的设定。即，在多个点火周期中的每个点火周期中，计 算平均值，并设定基准值。
参照图24，将描述由作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 执行的程序的控制结构。与以上所述第一实施例相同的处理步骤用相同的 步骤标号来表示，此处将不再重复其详细描述。
在S400，发动机ECU 200计算第四频带D的振动波形的强度(5°积 分值)的最小值和在与振动波形的强度具有最小值的曲轴转角相邻的曲轴 转角处的强度的平均值。在S402，发动机ECU 200将基准值设定为计算 得到的平均值。以此方式，能实现类似于以上所述第一实施例的效果。
第五实施例
以下，将描述本发明第五实施例。本实施例与以上所述第四实施例不 同在于基于强度(5°积分值)的平均值的频率分布来设定基准值。诸如 发动机100的自身构造之类的其他特征与以上所述第一实施例相同。它们 的功能也相同。因而，此处将不再重复其详地描述。
参照图25,将描述作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 的功能。以下所描述的功能可以由软件实现或者由硬件实现。本实施例和 以上所述第一实施例相同的任何功能由相同的附图标记表示，并且此处将 不再重复其详地描述。
在本实施例中，基准值设定单元268计算第四频带D内的振动波形的 强度(5°积分值)的最小值和在与振动波形的强度具有最小值的曲轴转 角相邻的曲轴转角处的强度的平均值。此外，基准值设定单元268将基准 值设定成通过将计算得到的平均值的标准偏差与系数的乘积加上计算得到 的平均值的中值所确定的值。系数例如是"2"。用于设定基准值的平均 值例如是200个点火周期中的各个平均值。当设定基准值时，平均值经历 了对数变换来使用。因而，使用频率分布设定的基准值经历了逆对数变换 来使用。参照图27，将描述由作为本实施例的爆震判定设备的发动机ECU 200 执行的程序的控制结构。此处，本实施例与以上所述第一或者第四实施例 相同的处理步骤用相同的步骤标号来表示，此处将不再重复其详细描述。
在S500，发动机ECU 200将基准值设定为通过将平均值的标准偏差 与系数的乘积加上平均值的中值所确定的值。以此方式，同样能实现类似 于第一实施例的效果。
其他实施例
恒定值可以用作基准值。此外，如图28所示，可以将比较区间设定 成强度具有最大值的曲轴转角位于比较区间之外。
应该理解的是，以上揭示的实施例在任何方面都是解释性的而非限制 性的，本发明的范围由各项权利要求而非以上说明界定，并意图将落在与 各项权利要求相等同的范围和含义内的全部修改和变动包括在内。
权利要求
1.一种用于内燃机的爆震判定设备，包括曲轴位置传感器(306)，其检测所述内燃机(100)的曲轴转角；爆震传感器(300)，其检测所述内燃机(100)的振动的强度，所述强度与曲轴转角相关联；以及演算单元(200)，所述演算单元(200)基于所述内燃机(100)的振动的强度来检测在曲轴转角的第一间隔中的振动的波形，所述演算单元(200)基于在曲轴转角的第二间隔中的、所检测到的所述波形的强度和波形模型的强度之间的差来计算第一值，所述波形模型被预先确定为所述内燃机(100)的振动的基准波形，所述演算单元(200)计算第二值，使得所述内燃机(100)的输出轴的转数越小，所述第二值就越小，所述演算单元(200)基于所述第一值和所述第二值来计算第三值，并且所述演算单元(200)基于所述第三值来判定在所述内燃机(100)中是否已经发生爆震。
2. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)设定所述第二间隔，使得所述内燃机(100)的所述输出轴的转数越小，所述第二间隔就越小。
3. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)通过将所述第二间隔中的各个差相加来计算所述第一值，所述各个差每个均为所检测到的所述波形的强度和所述波形模 型的强度之间的差，在所述内燃机(100)的所述输出轴的转数是第一转数的情况下，所 述演算单元(200)通过将所述第二间隔中的、每个均为从所述波形模型 的强度减去正的基准值而确定的各个值相加来计算所述第二值，在所述内 燃机(100)的所述输出轴的转数是大于所述第一转数的第二转数的情况下，所述演算单元(200)通过将所述第二间隔中的所述波形模型的强度 相加来计算所述第二值，所述演算单元(200)通过将所述第一值除以所述第二值来计算所述 第三值，并且在所述第三值小于预定值的情况下，所述演算单元(200)判定为在 所述内燃机(100)中己经发生爆震。
4. 根据权利要求3所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)检测所检测到的所述波形的强度的最小值，并且所述演算单元(200)将所述基准值设定为所检测到的所述波形的强 度的所述最小值。
5. 根据权利要求3所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)检测多个点火周期中的强度的各个最小值，所述最小值每个均为所检测到的所述波形的强度的最小值，并且所述演算单元(200)将所述基准值设定为通过将所述最小值的标准 偏差与系数的乘积加上所述最小值的中值所确定的值。
6. 根据权利要求5所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)将所述基准值限制为预定值以下。
7. 根据权利要求3所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)计算所检测到的所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波形上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲 轴转角处的强度的平均值，并且所述演算单元(200)将所述基准值设定为所述平均值。
8. 根据权利要求3所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述演算单元(200)计算多个点火周期中的各个平均值，所述平均值每个均为所检测到的所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波 形上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平 均值，并且所述演算单元(200)将所述基准值设定为通过将所述平均值的标准偏差与系数的乘积加上所述平均值的中值所确定的值。
9. 根据权利要求3所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中所述基准值是恒定值。
10. —种用于内燃机的爆震判定方法，包括以下步骤 检测所述内燃机(100)的曲轴转角；检测所述内燃机(100)的振动的强度，所述强度与曲轴转角相关联；基于所述内燃机(100)的振动的强度来检测在曲轴转角的第一间隔中的振动的波形，基于在曲轴转角的第二间隔中的、所检测到的所述波形的强度和波形 模型的强度之间的差来计算第一值，所述波形模型被预先确定为所述内燃机(100)的振动的基准波形，计算第二值，使得所述内燃机(100)的输出轴的转数越小，所述第 二值就越小，基于所述第一值和所述第二值来计算第三值，以及 基于所述第三值来判定在所述内燃机(100)中是否已经发生爆震。
11. 根据权利要求io所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下步骤设定所述第二间隔，使得所述内燃机(100)的所述输出轴的转数越小，所述第二间隔就越小。
12. 根据权利要求IO所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中所述计算所述第一值的步骤包括以下步骤通过将所述第二间隔中的 各个差相加来计算所述第一值，所述各个差每个均为所检测到的所述波形 的强度和所述波形模型的强度之间的差，所述计算所述第二值的步骤包括以下步骤在所述内燃机(100)的 所述输出轴的转数是第一转数的情况下，通过将所述第二间隔中的、每个 均为从所述波形模型的强度减去正的基准值而确定的各个值相加来计算所 述第二值，在所述内燃机(100)的所述输出轴的转数是大于所述第一转 数的第二转数的情况下，通过将所述第二间隔中的所述波形模型的强度相 加来计算所述第二值，所述计算所述第三值的步骤包括以下步骤通过将所述第一值除以所 述第二值来计算所述第三值，并且所述判定是否已经发生爆震的步骤包括以下步骤在所述第三值小于 预定值的情况下，判定为在所述内燃机(100)中已经发生爆震。
13. 根据权利要求12所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下 步骤检测所检测到的所述波形的强度的最小值；以及 将所述基准值设定为所检测到的所述波形的强度的所述最小值。
14. 根据权利要求12所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下步骤检测多个点火周期中的强度的各个最小值，所述最小值每个均为所检 测到的所述波形的强度的最小值；以及将所述基准值设定为通过将所述最小值的标准偏差与系数的乘积加上 所述最小值的中值所确定的值。
15. 根据权利要求14所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下步骤将所述基准值限制为预定值以下。
16. 根据权利要求12所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下步骤计算所检测到的所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波形 上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均值；以及将所述基准值设定为所述平均值。
17. 根据权利要求12所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下 步骤计算多个点火周期中的各个平均值，所述平均值每个均为所检测到的 所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波形上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均值；以及将所述基准值设定为通过将所述平均值的标准偏差与系数的乘积加上 所述平均值的中值所确定的值。
18. 根据权利要求12所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中 所述基准值是恒定值。
19. 一种用于内燃机的爆震判定设备，包括用于检测所述内燃机(100)的曲轴转角的装置(306);用于检测所述内燃机(100)的振动的强度的装置(300)，所述强度 与曲轴转角相关联；用于基于所述内燃机(100)的振动的强度来检测在曲轴转角的第一 间隔中的振动的波形的装置(200);第一计算装置(200)，其用于基于在曲轴转角的第二间隔中的、所 检测到的所述波形的强度和波形模型的强度之间的差来计算第一值，所述 波形模型被预先确定为所述内燃机(100)的振动的基准波形；第二计算装置(200)，其用于计算第二值，使得所述内燃机(100) 的输出轴的转数越小，所述第二值就越小；第三计算装置(200)，其用于基于所述第一值和所述第二值来计算 第三值；以及判定装置(200)，其用于基于所述第三值来判定在所述内燃机 (100)中是否已经发生爆震。
20. 根据权利要求19所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括用于 设定所述第二间隔、使得所述内燃机(100)的所述输出轴的转数越小、 所述第二间隔就越小的装置(200)。
21. 根据权利要求19所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中 所述第一计算装置(200)包括用于通过将所述第二间隔中的各个差相加来计算所述第一值的装置，所述各个差每个均为所检测到的所述波形 的强度和所述波形模型的强度之间的差，所述第二计算装置(200)包括用于进行以下操作的装置在所述内 燃机(100)的所述输出轴的转数是第一转数的情况下，通过将所述第二 间隔中的、每个均为从所述波形模型的强度减去正的基准值而确定的各个 值相加来计算所述第二值，在所述内燃机(100)的所述输出轴的转数是 大于所述第一转数的第二转数的情况下，通过将所述第二间隔中的所述波形模型的强度相加来计算所述第二值，所述第三计算装置(200)包括用于通过将所述第一值除以所述第二 值来计算所述第三值的装置，并且所述判定装置(200)包括用于进行以下操作的装置在所述第三值小于预定值的情况下，判定为在所述内燃机(100)中已经发生爆震。
22. 根据权利要求21所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括 用于检测所检测到的所述波形的强度的最小值的装置(200);以及 用于将所述基准值设定为所检测到的所述波形的强度的所述最小值的装置(200)。
23. 根据权利要求21所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括用于检测多个点火周期中的强度的各个最小值的装置(200)，所述 最小值每个均为所检测到的所述波形的强度的最小值；以及用于将所述基准值设定为通过将所述最小值的标准偏差与系数的乘积 加上所述最小值的中值所确定的值的装置(200)。
24. 根据权利要求23所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括用于 将所述基准值限制为预定值以下的装置(200)。
25. 根据权利要求21所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括 用于计算所检测到的所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波形上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的 平均值的装置(200);以及用于将所述基准值设定为所述平均值的装置(200)。
26. 根据权利要求21所述的用于内燃机的爆震判定设备，还包括 用于计算多个点火周期中的各个平均值的装置(200)，所述平均值每个均为所检测到的所述波形的强度的最小值和在与所检测到的所述波形 上出现强度的所述最小值所在的曲轴转角相邻的曲轴转角处的强度的平均 值；以及用于将所述基准值设定为通过将所述平均值的标准偏差与系数的乘积 加上所述平均值的中值所确定的值的装置(200)。
27. 根据权利要求21所述的用于内燃机的爆震判定设备，其中所述基准值是恒定值<
全文摘要
发动机ECU执行程序，该程序包括以下步骤检测发动机的振动的强度(S102)；基于强度检测发动机的振动波形(S104)；在发动机速度(NE)小于阈值(NE(1))的情况下，使用每个均为通过从爆震波形模型的强度减去正的基准值确定的各个值之和作为爆震波形模型的面积(S)来计算相关系数(K)，在发动机速度(NE)不小于阈值(NE(1))的情况下，使用爆震波形模型的整个面积(S)来计算相关系数(K)；并且使用相关系数(K)来判定是否已经发生爆震(S120，S140)。通过将每个均为振动波形的强度和爆震波形模型的强度之差的各个差的和除以面积(S)来计算相关系数(K)。
文档编号G01L23/00GK101680816SQ200880018038
公开日2010年3月24日 申请日期2008年5月27日 优先权日2007年5月30日
发明者千田健次, 吉原正朝, 山迫靖广, 竹村优一, 笠岛健司, 花井纪仁, 金子理人 申请人:丰田自动车株式会社