用于內燃機的爆震判定裝置和爆震判定方法

專利名稱：用于內燃機的爆震判定裝置和爆震判定方法
技術領域：
本發明涉及內燃機中的爆震判定，更具體涉及一種基于內燃機的振動波形來判定
發動機是否爆震的技術。
背景技術：
傳統上，已經提出了用于檢測在內燃機中發生的爆震(爆聲)的各種方法。例如， 存在當內燃機中的振動強度大于閾值時判定產生爆震的技術。然而，即使在發動機不發生 爆震時，諸如當進氣門或排氣門關閉時所受到的振動等的噪聲的強度也可能高于閾值。在 這種情形中，雖然實際上尚未發生爆震，但可能做出已發生爆震的錯誤判定。因此，已經提 出了這樣的技術，其中考慮到諸如發生振動時的曲柄角和衰減率等的除強度以外的特性， 基于預定的爆震波形模型與檢測到的振動波形之間的比較結果來判定是否發生發動機爆 震。 日本專利特開No. 2006-226967公開了一種用于內燃機的爆震判定裝置，其以高 精度來判定是否已發生爆震。該用于內燃機的爆震判定裝置包括用于檢測內燃機的振動的 部件、用于從所檢測到的振動中提取在內燃機的氣缸內的第三和第四切向共振模式的至少 一個中的頻帶中的振動的提取部件、以及用于基于所提取的振動來判定在內燃機中是否已 發生爆震的判定部件。 在上述特開申請中公開的爆震判定裝置中，從內燃機的振動中提取第三和第四切 向共振模式中的至少一個的頻帶中的振動，該第三和第四切向共振模式是在爆震時特別進 行檢測的典型共振模式，因此，能夠提取包括更少的除爆震以外的噪聲的振動。即，能夠以 高精度提取爆震產生時的振動特性。基于該振動判定是否已發生爆震。結果，能夠提供能 以高精度判定是否已發生爆震的用于內燃機的爆震判定裝置。 包括在爆震時特別進行檢測的振動的代表性頻帶包括第一、第二、第三和第四切
向共振模式的頻帶。在這些頻帶中，一些頻帶更易與爆震所特有的振動重疊，而其他頻帶更
少地受到影響。例如，第一切向模式的頻帶中的振動比較容易與爆震所特有的振動重疊。然
而，請注意，第一切向模式的頻帶趨向于受到除爆震以外的噪聲的影響更大。 與在上述特開申請中公開的爆震判定裝置中一樣，當排除第一切向模式的頻帶中
的振動時，結果就是，更易與爆震所特有的振動重疊的頻帶被排除，因此可能發生對爆震的
錯誤判定。另外，在判定是否已發生爆震時，如果第一切向模式的頻帶的影響很大，則也可
能發生對爆震的錯誤判定。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠減少對爆震的錯誤判定的、用于內燃機的爆震判定 裝置和爆震判定方法。 根據一方面，本發明提供一種用于內燃機的爆震判定裝置，包括檢測單元，所述 檢測單元檢測內燃機的振動；和判定單元，所述判定單元連接到所述檢測單元。所述判定單元從所檢測到的振動中分別提取與爆震相對應的多個預定頻帶的振動，改變所提取的多個 頻帶的振動強度的權重，使得減小除爆震以外的噪聲的影響，基于多個頻帶的振動強度來 檢測預定曲柄角間隔的振動波形，并使用所檢測到的振動波形來判定在內燃機中是否已發
生爆震。 根據本發明，判定單元改變所提取的多個頻帶的振動強度中的權重，使得減小除 爆震以外的噪聲的影響。例如，如果使得受除爆震以外的噪聲的重疊影響更大且易與爆震 相對應的振動重疊的頻帶(例如，第一切向模式的頻帶)中的振動的權重更小，則能夠減少 在判定爆震中噪聲的影響。因此，防止了由于受噪聲影響的頻帶中的振動而引起的對爆震 的錯誤判定，同時能夠使用易與爆震相對應的振動重疊的頻帶中的振動來做出爆震判定， 由此能夠減少錯誤判定。因此，能夠提供能減少對爆震的錯誤判定的、用于內燃機的爆震判 定裝置。 優選地，判定單元改變權重，使得在所提取的多個頻帶的振動強度中，由于除爆震 以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響大于規定程度的至少一個頻帶的振動強度的比率 減小。 根據本發明，如果改變權重使得由于除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定影響 更大且易與爆震相對應的振動重疊的頻帶(例如，第一切向模式的頻帶)中的振動強度的 比率減小，則能夠減小在爆震判定中噪聲的影響。因此，能夠減少對爆震的錯誤判定。
更優選地，所述多個頻帶的振動包括第一切向模式的頻帶的振動。所述判定單元 改變權重，使得第一切向模式的頻帶中的振動強度的權重小于其它頻帶中的振動強度的權 重。 根據本發明，通過改變權重使得第一切向模式的頻帶中的振動強度的比率變得更
小，能夠減小在爆震判定中噪聲的影響。因此，能夠減少噪聲的錯誤判定。 更優選地，所述判定單元改變權重，使得在所提取的多個頻帶的振動強度中，由于
除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響小于規定程度的至少一個頻帶的振動的比
率增大。 根據本發明，通過改變權重使得由于除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定影響
更小且易與爆震相對應的振動重疊的頻帶(例如，第三切向模式的頻帶)中的振動強度的
比率增大，能夠減少在爆震判定中噪聲的影響。因此，能夠減少對爆震的錯誤判定。 更優選地，所述多個頻帶的振動包括第三切向模式的頻帶的振動。所述判定單元
改變權重，使得第三切向模式的頻帶中的振動強度的權重大于其它頻帶中的振動強度的權重。 根據本發明，通過改變權重使得在第三切向模式的頻帶中的振動強度的比率變得
更大，能夠減小在爆震判定中噪聲的影響。因此，能夠減少對爆震的錯誤判定。 優選地，基于所述多個頻帶的振動強度的頻率分布的強度的中值，所述判定單元
校正所述頻率分布，并且，除了所檢測到的振動波形之外，還使用校正過的頻率分布來判定
在內燃機中是否已發生爆震。 根據本發明，判定單元基于多個頻帶的振動強度頻率分布中的強度的中值來校正 頻率分布。由于權重的任何改變或者取決于爆震特有的振動在每個頻帶上重疊的容易性， 每個頻帶的頻率分布的中值可能偏離其它頻帶的振動強度的頻率分布的中值。因此，基于每個頻帶的振動強度的頻率分布的中值(例如，使用中值的平均值)來校正頻率分布，由此 抑制頻率分布中的中值偏離對所檢測到的振動強度的影響，并且能夠減少對爆震的錯誤判定。 更優選地，所述判定單元使用所述多個頻帶的振動強度的頻率分布的強度中值的 平均值作為基準來校正所述頻率分布。 根據本發明，所述判定單元基于所述多個頻帶的振動強度頻率分布中的強度中值 的平均值來校正頻率分布。結果，抑制了頻率分布中的中值偏離對所檢測到的振動強度的 影響，并且能夠減少對爆震的錯誤判定。 更優選地，所述判定單元基于所述多個頻帶的振動強度的預定曲柄角之間的積分 值的總和來計算爆震強度，并且基于所計算出的爆震強度與預定判定值之間的比較結果來 判定在內燃機中是否已發生爆震。 根據本發明，基于預定判定值與根據所述多個頻帶的振動強度的預定曲柄角范圍 內的積分值的總和而計算出的爆震強度之間的比較結果，能夠以高精度判定在內燃機中是 否已發生爆震。 更優選地，除了爆震強度的比較結果之外，所述判定單元還基于所檢測到的振動 波形與作為內燃機的振動波形基準的預定波形模型之間的比較結果來判定在內燃機中是 否已發生爆震。 根據本發明，除了爆震強度的比較結果之外，還能夠基于所檢測的振動波形與作 為內燃機的基準振動波形的預定波形模型之間的比較結果來以高精度判定在內燃機中是 否已發生爆震。


圖1是概略構造圖，示出了由作為根據一實施例的爆震判定裝置的發動機ECU控 制的發動機。 圖2是示出了缸內壓力振動的頻帶的(第一)示圖。
圖3示出了由爆震傳感器檢測到的振動的頻帶。
圖4是示出了圖1的發動機ECU的控制框圖。
圖5示出了發動機的振動波形。 圖6示出了存儲在發動機ECU的ROM中的爆震波形模型。 圖7是比較振動波形和爆震波形模型的(第一 )示圖。 圖8示出了存儲在發動機ECU中的判定值V (KX)的映射。 圖9示出了強度L0G(V)的頻率分布。 圖10包括示出了各種頻帶的振動強度頻率分布的圖表。 圖11包括示出了校正之后的各種頻帶的振動強度頻率分布的圖表。 圖12是表示由作為根據本實施例的內燃機爆震判定裝置的發動機ECU執行的程
序的控制結構的流程圖。 圖13是示出了歸一化后的振動波形與爆震波形模型之間的比較的圖表。
具體實施例方式
以下將參照附圖來描述本發明的實施例。在以下的描述中，相同的部件由相同的 附圖標記表示。名稱和功能也相同。因此，將不重復其詳細描述。 參照圖l，將描述安裝有根據本發明實施例的爆震判定裝置的車輛的發動機100。 發動機100設置有多個氣缸。通過由發動機ECU (電子控制單元)200執行的程序來實現根 據本實施例的爆震判定裝置。 發動機100是內燃機，其中通過空氣濾清器102吸入的空氣和由噴射器104噴射 的燃料的混合物被火花塞106點燃并在燃燒室內燃燒。雖然對點火正時進行調節以獲得 MBT(最佳扭矩的最小提前角)從而使輸出扭矩最大，但例如發生爆震時，則根據發動機100 的運行狀態將點火正時提前或延遲。 空氣燃料混合物的燃燒導致將活塞108壓下的燃燒壓力，由此曲軸110旋轉。燃 燒的空氣燃料混合物(或排氣)被三元催化劑112凈化，隨后排出到車輛外部。吸入到發 動機100中的空氣量由節氣門114調節。 發動機100由發動機ECU 200控制，爆震傳感器300、水溫傳感器302、與正時轉子 304相對布置的曲柄位置傳感器306、節氣門開度傳感器308、車速傳感器310、點火開關312 和空氣流量計314連接到該發動機ECU 200。 爆震傳感器300設置在發動機100的缸體中。爆震傳感器300由壓電元件來實現。 當發動機100振動時，爆震傳感器300產生幅度與該振動的幅度相對應的電壓。爆震傳感 器300將表示電壓的信號傳送到發動機ECU 200。水溫傳感器302檢測發動機100中的水 套處的冷卻水的溫度，并將表示檢測結果的信號傳送到發動機ECU 200。
正時轉子304設置在曲軸110處，并且隨曲軸110 —起旋轉。正時轉子304沿周 向設置有以預定距離間隔開的多個突起。曲柄位置傳感器306與正時轉子304的突起相對 地布置。當正時轉子304旋轉時，正時轉子304的突起與曲柄位置傳感器306之間的氣隙 改變，使得穿過曲柄位置傳感器306的線圈部分的磁通量增加/減少，從而在線圈部分處產 生電動勢。曲柄位置傳感器306將表示電動勢的信號傳送到發動機ECU 200。基于從曲柄 位置傳感器306傳送的信號，發動機ECU200檢測曲軸110的曲柄角和轉數。
節氣門開度傳感器308檢測節氣門開度，并將表示檢測結果的信號傳送到發動機 ECU 200。車速傳感器310檢測車輪(未示出)的轉數，并將表示檢測結果的信號傳送到發 動機ECU 200。基于車輪的轉數，發動機ECU 200計算車速。點火開關312由駕駛員開啟， 用于起動發動機100。空氣流量計314檢測被吸入到發動機100中的空氣量，并將表示檢測 結果的信號傳送到發動機ECU 200。 發動機ECU 200利用從作為電源的輔助電池320饋送的電力來運行。發動機ECU 200使用從各種傳感器和點火開關312傳送的信號以及存儲在ROM(只讀存儲器)202中的 映射和程序來執行操作以控制設備，使得發動機100獲得所期望的運轉狀態。
在本實施例中，使用從爆震傳感器300傳送的信號和曲柄角，發動機ECU 200以預 定的爆震檢測區限(gate)(從預定的第一曲柄角到預定的第二曲柄角的區間)檢測發動機 100的振動的波形(以下稱為"振動波形")，并基于所檢測到的振動波形來判定在發動機 IOO中是否已發生爆震。本發明的爆震檢測區限是在燃燒行程中從上止點(0° )到90° 。 請注意，爆震檢測區限不限于此。
當在發動機100的氣缸內發生爆震時，缸內壓力共振。缸內壓力的該共振使發動 機100的缸體振動。因此，缸體的振動、即，由爆震傳感器300檢測到的振動頻率通常包括 在缸內壓力共振頻帶內。 缸內壓力共振頻率與缸內氣柱的共振模式對應。爆震時特有的振動所出現的頻帶 代表性地包括一階、二階、三階和四階切向模式頻帶。 缸內壓力共振頻率是通過共振模式、孔徑和聲速來計算的。圖2示出了在聲速恒 定且孔徑從X變化到Y的情況下對于每種共振模式的缸內壓力共振頻率的一個示例。如圖 2所示，缸內壓力共振頻率按照如下的上升順序變得更高一階切向、二階切向、一階徑向、 三階切向、和四階切向頻帶。 圖2示出當發生爆震時所提供的缸內壓力共振頻率。在發生爆震之后，由于活塞 向下所以燃燒室的體積增大，因此燃燒室內的溫度和壓力降低。結果，聲速減小，并且缸內 壓力共振頻率減小。相應地，如圖3所示，當曲柄角從ATDC(上止點后)增大時，缸內壓力 的頻率的峰值分量減小。 由于缸內壓力的共振具有這種特性，所以缸體振動。因此，在已發生爆震的點火循 環中，由爆震傳感器300檢測到的振動包括與一階切向共振模式頻帶相同的頻帶A的振 動、與二階切向共振模式頻帶相同的頻帶B的振動、與三階切向共振模式頻帶相同的頻帶C 的振動、以及與四階切向共振模式頻帶相同的頻帶D的振動。 如圖3所示，一階切向共振模式頻帶A包括缸體、活塞108、連桿、曲軸110等的共 振頻率。因此，即使不發生爆震，也會在頻帶A中出現由于噴射器104、活塞108、進氣門116、 排氣門118、對燃料進行壓縮并因此將燃料輸送到噴射器104的泵120等的運行而不可避免 地引起的振動。 鑒于上述內容，本實施例的特征在于發動機ECU 200從由爆震傳感器300檢測到 的頻率中提取頻帶A、B、D和E的振動，并改變所提取的頻帶A至D的振動強度之間的權重， 使得除爆震以外的噪聲的影響變小。 具體地，改變權重，使得在所提取的頻帶A至D的振動強度之中，由于除爆震以外 的噪聲的重疊而對爆震判定的影響大于規定程度的至少一個頻帶的振動強度的比率減小。 在本實施例中，改變權重，使得第一切向模式的頻帶A中的振動的權重變得小于其它頻帶B 至D中的振動的權重。這防止了對爆震的錯誤判定。 如果用于檢測振動的帶寬較窄，則能夠減少在所檢測到的振動強度中包含的噪聲 成分，同時噪聲成分的特征部分(例如振動發生時刻和衰減率)被從振動波形中除去。在 這種情形中，即使振動實際上來源于噪聲成分，也將檢測到不包括噪聲成分的波形，即與爆 震時的振動波形類似的波形。因此，變得難以在振動波形中將由爆震引起的振動與由噪聲 引起的振動區別開來。 因此，在本發明中，為了在產生噪聲時考慮到噪聲來判定是否發生爆震，對完全覆 蓋頻帶A至D的寬頻帶E中的振動進行檢測以包括噪聲。頻帶E中的振動用于檢測發動機 100的振動波形。 頻帶E中的發生爆震時的振動波形具有這樣的形狀，即在振動波形的峰值之后振動 緩慢地衰減。如果沒有發生爆震而是由噪聲引起振動，則振動波形具有圓頂形狀。因此，通過 頻帶E中的振動波形，能夠以高精度將由爆震引起的振動與由噪聲引起的振動區別開來。
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參照圖4，將進一步描述發動機ECU 200。發動機ECU 200包括A/D (模擬/數 字)轉換單元400、帶通濾波器(1)410、帶通濾波器(2)420、帶通濾波器(3)430、帶通濾波 器(4)440、帶通濾波器(5)450和積分單元460。 A/D轉換單元400將從爆震傳感器300傳送的模擬信號轉換成數字信號。帶通濾 波器(1)410僅使從爆震傳感器300傳送的信號中的位于第一頻帶A中的信號通過。具體 地，在由爆震傳感器300檢測到的振動中，帶通濾波器(1)410僅提取第一頻帶A中的振動。
帶通濾波器(2)420僅使從爆震傳感器300傳送的信號中的位于第二頻帶B中的 信號通過。具體地，在由爆震傳感器300檢測到的振動中，帶通濾波器(2)420僅提取第二 頻帶B中的振動。 帶通濾波器(3)430僅使從振動傳感器300傳送的信號中的位于第三頻帶C中的 信號通過。具體地，在由爆震傳感器300檢測到的振動中，帶通濾波器(3)430僅提取第三 頻帶C中的振動。 帶通濾波器(4)440僅使從爆震傳感器300傳送的信號中的頻帶D的信號通過。也 就是說，通過帶通濾波器(4)440，僅從由爆震傳感器300檢測到的振動中提取頻帶D的振 動。請注意，帶通濾波器(4)440可以提取第二切向第一徑向模式的頻帶中的振動來代替第 四切向模式的頻帶中的振動作為頻帶D的振動。 帶通濾波器(5)450僅使從爆震傳感器300傳送的信號中的頻帶E的信號通過。也 就是說，通過帶通濾波器(5)450，僅從由爆震傳感器300檢測到的振動中提取頻帶E的振 動。 積分器460以每五度的曲柄角對由帶通濾波器(1)410至帶通濾波器(5)450中的 每一個所選擇的信號即振動強度進行積分。以下，通過這種積分獲得的值被稱為積分值。為 每個頻帶計算出積分值。 在由積分器460計算出的積分值中，合成單元470將與曲柄角相對應的頻帶A至 D的積分值相加。在本實施例中，合成單元470將所計算出的頻帶A至D的積分值中的每 一個乘以與每個頻帶相對應的權重系數，并將與曲柄角相對應的頻帶A至D的積分值相加。 以此方式，頻帶A至D的振動波形進行合成。此外，頻帶E的積分值用作發動機100的振動 波形。 在本實施例中，將假定與頻帶A相對應的權重系數為"0. 5"而與其它頻帶B至D 對應的權重系數全部為"1.0"來給出說明。然而，該值不限于這些，并且可以通過試驗等來 適當地選擇，只要頻帶A的權重系數小于與頻帶B至D相對應的權重系數即可。
將圖5所示的頻帶E的振動波形與圖6所示的爆震波形模型相比較，判定是否已 發生爆震。該爆震波形模型是發動機100發生爆震時的并且被預先確定為發動機100的振 動波形基準的振動波形的模型。該爆震波形模型存儲在發動機ECU 200的存儲器202中。
在該爆震波形模型中，振動幅度由無量綱數字0至1表示，并且不與曲柄角一一對 應。更具體而言，對于本實施例的爆震波形模型，當確定振動強度在振動強度峰值之后隨著 曲柄角增大而減小時，不能確定振動強度呈現峰值時的曲柄角。 本實施例的爆震波形模型與由爆震產生的振動的峰值強度之后的振動相對應。可 以存儲與由爆震引起的振動升高之后的振動對應的爆震波形模型。 該爆震波形模型是基于當通過試驗等強制發生爆震時檢測到的發動機100的振
10動波形來預先形成和存儲的。該爆震波形模型通過使用發動機ioo(以下稱為中央特性發 動機)而形成，該發動機100的尺寸和爆震傳感器300的輸出值是尺寸公差和爆震傳感器 300的輸出公差的中位值。換句話說，爆震波形模型是當在該中央特性發動機中強制發生爆 震時獲得的振動波形。形成爆震波形模型的方法不限于此，并且其可以例如通過仿真來形 成。 發動機ECU 200將所檢測到的波形與所存儲的爆震波形模型進行比較，并判定在 發動機100中是否已發生爆震。 在將所檢測到的波形與所存儲的爆震波形模型進行比較時，計算頻帶A至D的合 成波形的積分值的最大積分值(峰值)。另外，檢測頻帶A至D的合成波形中的峰值(曲柄 角)的位置。在下文中，頻帶A至D的合成波形中的峰值位置將被稱作"峰值位置(l)"。
在距離峰值位置(1)的規定范圍(曲柄角)內，檢測頻帶E中的峰值的位置。在 下文中，頻帶E的峰值位置將被稱作"峰值位置(2)"。 在本實施例中，在峰值位置(1)之前的范圍內檢測峰值位置(2)。例如，從峰值位 置(1)之前的三個積分值的位置中檢測峰值位置(2)。在峰值(1)之前的范圍內最大的頻 帶E的積分值的位置被檢測為峰值位置(2)。峰值位置(2)的檢測范圍不限于此，并且可以 在峰值位置(1)之后的范圍內檢測。 在所檢測到的波形與爆震波形模型之間的比較中，對歸一化后的波形與爆震波形 模型進行比較，如圖7所示。這里，歸一化例如指的是通過將每個積分值除以所檢測到的 振動波形的最大積分值來以無量綱數字0至1表示振動強度。歸一化的方法不限于此。
在本實施例中，發動機ECU 200計算表示歸一化后的振動波形與爆震判定模型的 相似度(表示振動波形與爆震判定模型之間的偏差)的相關系數K。使歸一化后的振動波 形的振動強度出現峰值的時刻與爆震波形模型的振動強度出現峰值的時刻相一致，并且在 該狀態下，(以每5度) 一個曲柄角接著一個曲柄角地計算歸一化后的振動波形的強度與 爆震波形模型的強度之差(偏差量)的絕對值，由此計算相關系數K。能夠以不同于5度的 曲柄角、一個曲柄角接著一個曲柄角地計算振動波形的強度與爆震波形模型的強度之差的 絕對值。 利用AS(I)(其中I是自然數)表示針對每個曲柄角的歸一化后的振動波形與爆 震波形模型之差的絕對值，并且利用S表示在每個曲柄角處爆震波形模型的振動強度與正 基準值之差的總和，B卩，不低于基準值的強度所占的爆震波形模型的面積。相關系數K計算 如下 <formula>formula see original document page 11</formula>
其中E AS(I)表示將振動波形與爆震振動波形相比較時曲柄角處的AS(I)的總 和。作為用于計算爆震波形模型的面積S的基準值，使用曲柄角范圍內的振動波形的強度 的最小值，其中在該曲柄角范圍內，執行與爆震波形模型的比較并且計算振動波形的強度 與爆震波形模型的強度之差。也可以使用除振動波形的最小強度值以外的值作為基準值， 只要該值是正的即可。請注意，可以通過不同的方法來計算相關系數K。
另外，發動機ECU 200基于在頻帶A至D的合成波形中的預定曲柄角(從0至90 度)的積分值(以下稱為90度積分值)來計算爆震強度N。當利用P表示90度積分值并 且利用BGL(背景水平)表示在發動機100沒有發生爆震時發動機100的振動強度，爆震強度N通過方程式N = P/BGL來計算。通過仿真或試驗來預先確定BGL，并將BGL存儲在ROM 202中。請注意，可以通過不同的方法來計算爆震強度N。 在本實施例中，發動機ECU 200將所計算出的爆震強度N與存儲在ROM 202中的 判定值V(KX)相比較，并進一步將所檢測到的波形與所存儲的爆震波形模型相比較，來為 每一次點火循環判定在發動機100中是否已發生爆震。 如圖8所示，對于使用發動機轉速NE和進氣量KL作為參數、按照運行狀態劃分 的每個范圍，判定值V(KX)被存儲為映射。在本實施例中，通過根據低速(NE〈NE(1))、中 速(NE(l)《NE < NE(2))、高速(NE(2)《NE)、低負荷(KL < KL(1))、中負荷(KL(l)《KL <KL(2))和高負荷(KL(2)《KL)的劃分為每個氣缸設置九個范圍。范圍的數目不限于此。 另外，可以使用除發動機轉速NE和進氣量KL以外的參數來劃分范圍。
在發動機100或該車輛裝運時，通過試驗等預先確定的值用作存儲在ROM 202中 的判定值V(KX)(裝運時的初始判定值V(KX))。取決于爆震傳感器300的輸出值的變化或 爆震傳感器300的退化，即使在發動機100中發生的振動是相同的，所檢測到的強度也可能 不同。在該情形中，必須校正判定值V(KX)并使用對實際檢測到的強度而言適當的判定值 V(KX)來判定是否已發生爆震。 因此，在本實施例中，基于表示通過對強度V的對數變換而獲得的強度值LOG(V) 與每個強度值LOG(V)的檢測頻率(次數或概率)來計算爆震判定水平V(KD)。
對于以發動機轉速NE和進氣量KL作為參數而限定的每一個范圍，計算出強度值 LOG(V)。用于計算強度值LOG(V)的強度V是頻帶A至D的合成波形的預定曲柄角之間的積 分值(從0至90度的積分值)。基于所計算出的強度值LOG(V)，計算從最小值累積的強度 值LOG(V)的頻率達到50X時的中值V(50)。另外，計算不大于中值V(50)的強度值LOG(V) 的標準偏差o 。例如，在本實施例中，通過下面的方法一個點火循環接著一個點火循環地計 算中值V(50)和標準偏差o ，該中值V(50)和標準偏差o與基于多個(例如200個循環) 強度值LOG(V)計算出的中值和標準偏差近似。 如果當前檢測到的強度值LOG(V)大于上次計算出的中值V(50)，則把通過將預定 值C(l)與上次計算出的中值V(50)相加而獲得的值設定為本次的中值V(50)。相反，如果 當前檢測到的強度值LOG(V)小于次計算出的中值V(50)，則把通過從上次計算出的中值 V(50)減去預定值C(2)(例如，值C(2)可以與C(l)相同)而獲得的值設定為本次的中值 V(50)。 如果本次檢測到的強度值LOG(V)小于上次計算出的中值V(50)但大于通過從上 次計算出的中值V(50)減去上次計算出的標準偏差o而獲得的值，則將通過從上次計算出 的標準偏差減去雙倍的預定值C(3)而獲得的值設定為本次的標準偏差o 。相反，如果當 前檢測到的強度值LOG(V)大于上次計算出的中值V(50)，或者，如果其小于通過從上次計 算出的中值V(50)減去上次計算出的標準偏差o而獲得的值，則把通過將預定值C(4)(例 如，值C(4)可以與C(3)相同)與上次計算出的標準偏差o相加而獲得的值設定為本次的 標準偏差o 。可以通過其它方法來計算中值V(50)和標準偏差o 。另外，中值V(50)和標 準偏差o的初始值可以是預設值或"O"。 使用中值V (50)和標準偏差o來計算爆震判定水平V (KD)。如圖9所示，通過將 系數U(l) (U(l)為常量，例如U(l) = 3)和標準偏差o的乘積與中值V(50)相加而獲得的
12值被設定為爆震判定水平V(KD)。可以通過不同的方法來計算爆震判定水平V(KD)。
將大于爆震判定水平V(KD)的強度值L0G(V)的比率(頻率)判定為爆震頻率，并 作為爆震占有率KC。 如果爆震占有率KC大于閾值KC(O)，則對判定值V(KX)進行校正以使其減小預定 校正量，使得延遲點火正時的頻率增大。校正過的判定值V(KX)存儲在SRAM中。
如果爆震占有率KC小于閾值KC(O)，則對判定值V(KX)進行校正以使其增大預定 校正量，使得提前點火正時的頻率增大。 系數U(l)是從通過試驗等獲得的數據和知識中得到的系數。大于U(l) = 3時的 爆震判定水平的強度值LOG(V)基本上等于實際發生爆震時點火循環的強度值LOG(V)。可 以使用除了 "3"以外的值作為系數U(l)。 基于多個強度值LOG(V)的頻率分布是基于在頻帶A至D的每一個中的多個振動 強度的頻率分布而獲得的。具體地，基于多個強度值LOG(V)的頻率分布是基于在頻帶A至 D中的多個振動強度的頻率分布的總和而獲得的。 如果與頻帶A相對應的權重系數被設定為"O. 5"，則頻帶A中的多個振動強度的 頻率分布的中值可能偏離其它頻帶B至D中的多個振動強度的頻率分布的中值。另外，在 頻帶A至D中檢測到的輸出強度不同。另外，在這些頻帶中，一些易受爆震的重疊影響，而 另一些不易受到影響。因此，所得到的強度值LOG(V)的頻率分布的精度可能惡化。因此， 在本實施例中，基于頻帶A至D的振動強度頻率分布的強度的中值來分別校正與頻帶A至 D相對應的頻率分布。 具體地，如果頻帶A至D的頻率分布如圖10所示，則使用頻帶A至D的中值的平 均值作為基準值來校正頻率分布。具體地，使用頻帶A至D中的每一個的中值與中值平均 值之間的偏差量來校正頻帶A至D的頻率分布。 例如，假定在頻帶A的頻率分布中計算出的中值是Va(50)，而頻帶A至D的中值 的平均值是Vm(50)。這里，中值平均值與頻帶A的頻率分布的中值之間的偏差量被給定為 Vm(50)-Va(50)。因此，通過將偏差量Vm(50)-Va (50)與頻帶A的頻率分布的每個強度值相 加，將頻帶A的頻率分布的中值校正為Vm(50)。類似地，為頻帶B至D的頻率分布而計算出 的中值Vb(50)、 Vc(50)和Vd(50)被校正為Vm(50)。以此方式，將頻帶A至D的頻率分布 的平均值校正為基本上彼此相等，如圖11所示。基于頻帶A至D的校正過的頻率分布，獲 得了多個振動強度值LOG(V)的頻率分布，因此能夠防止精度的惡化。 參照圖12，將描述由作為根據本實施例的爆震判定裝置的發動機ECU 200執行的 用于判定是否已發生爆震并由此一個點火循環接著一個點火循環地控制點火正時的程序 的控制結構。在步驟(以下表示為S) 100中，發動機ECU 200基于從曲柄位置傳感器306傳送 的信號來檢測發動機轉速NE，并基于從空氣流量計314傳送的信號來檢測進氣量KL。
在S 102中，發動機ECU 200通過從爆震傳感器300傳送的信號來檢測發動機100 的振動強度。該振動強度由從爆震傳感器300輸出的電壓值表示。請注意，該振動強度可 以由與爆震傳感器300輸出的電壓值相對應的值表示。在燃燒行程中針對從上止點至90° 的角度(90°的曲柄角)檢測振動強度。 在S104中，發動機ECU 200為每五度的曲柄角(僅對每5度進行積分)計算從爆震傳感器300輸出的電壓的積分值(g卩，表示振動強度)。 一個頻帶接著一個頻帶地計算該 積分值。此時，將頻帶A至D的積分值乘以與各個頻帶相對應的權重系數，并與曲柄角對應 地相加(合成出波形)。另外，計算頻帶E的積分值，由此檢測發動機100的振動波形。
在S106中，發動機ECU 200計算頻帶A至D的合成波形的90度積分值。在S108 中，發動機ECU 200計算在頻帶A至D的合成波形的積分值中的最大積分值(峰值)。在 S110中，檢測出頻帶A至D的合成波形的峰值位置(1)。 在S112中，發動機ECU 200在離峰值位置(曲柄角)的預定范圍內檢測出頻帶E 中的峰值位置(2)。 在S114中，發動機ECU 200使頻帶E的積分值(發動機100的振動波形)歸一化。 這里，歸一化例如指的是通過將每個積分值除以在S108中計算出的峰值來以無量綱數字 0至1表示振動強度。歸一化的方法不限于此，例如，每個積分值可以除以峰值位置(2)處 的積分值。 在S116中，發動機ECU 200計算相關系數K，該相關系數K為與歸一化后的振動波 形和爆震波形模型之間的偏差相關的值。使峰值位置(2)與爆震波形模型的振動強度出現 峰值的位置(時刻)相一致，并且在該狀態下，(以每5度) 一個曲柄角接著一個曲柄角地 計算歸一化后的振動波形的強度與爆震波形模型的強度之差(偏差量)的絕對值，由此計 算相關系數K。 當利用AS(I)(其中I為自然數)表示每個曲柄角的歸一化后的振動波形與爆震 波形模型之差的絕對值且利用S表示通過按照曲柄角對爆震波形模型的振動強度進行積 分而獲得的值(爆震波形模型的面積)時，通過方程式K二 (S-E AS(I))/S來計算相關 系數K，其中E AS(I)表示AS(I)的總和。可以通過不同的方法來計算相關系數K。
在S118中，發動機ECU 200將所述90度積分值除以BGL，并計算爆震強度N。在 S120中，發動機ECU 200判定相關系數K是否大于閾值K(0)以及爆震強度N是否大于判定 值V(KX)。如果相關系數K大于閾值K(O)并且爆震強度N大于判定值V(KX)(在S120處為 "是")，則該處理前進到S122。如果不是這樣(在S120處為"否")，則該處理前進到S126。
這里，上述方程式(1)能夠修改為
K = 1- E AS(I)/S. (2)。
另外，方程式(2)能夠修改為
E AS(I)/S = l-K. (3)。 因此，相關系數K大于閾值K(O)意味著E AS(I)/S小于l-K(O)。在S 122中，發動機ECU 200判定在發動機100中已發生爆震。在S124中，發動
機ECU 200將點火正時延遲。 在S126中，發動機ECU 200判定尚未發生爆震。在S128中，發動機ECU 200將點 火正時提前。 將基于上述構造和流程圖來描述作為根據本實施例的爆震判定裝置的發動機ECU 200的操作。 當發動機100處于運行中時，基于從曲柄位置傳感器306傳送的信號來檢測發動 機轉速NE，并且基于從空氣流量計314傳送的信號來檢測進氣量KL (S100)。進一步，基于 從爆震傳感器300傳送的信號來檢測發動機100的振動強度(S102)。
14
在燃燒行程中從上止點到90°的范圍內，為頻帶A至E中的每一個的振動計算每 五度的積分值(S104)。 此時，將頻帶A至D的積分值乘以與各個頻帶A至D相對應的預定系數，并將其相 加，由此合成了振動波形，如圖13中的點劃線所示。進一步，由圖13中的實線表示的頻帶E 的積分值用作發動機100的振動波形。進一步，計算出頻帶A至D的90度積分值(S106)。
由于使用為每五度設置的積分值來檢測振動波形，所以能夠檢測其中抑制了細小 變化的振動波形。這使得更易于將檢測到的振動波形與爆震波形模型相比較。
使用所計算出的積分值來計算頻帶A至D的合成波形中的積分值的峰值P(S108)。 檢測峰值P的位置或峰值位置(1) (SllO)。這里，如圖13所示，假定峰值位置(1)為從左邊 數第六個位置(25-30度的積分值的位置)。 從峰值位置(1)之前的三個積分值(從左邊起第四至第六個積分值)的位置中檢 測峰值位置(2)(S112)。更具體地，在頻帶E中的從左邊起第四、第五和第六個積分值的位 置中，將大于兩個鄰近積分值的積分值的位置檢測為峰值位置(2)。 這里，如圖13所示，從左邊數第五個積分值大于兩個鄰近積分值(從左邊起第四 至第六個積分值)。因此，將從左邊數第五個積分值的位置檢測為峰值位置(2)。
將頻帶E的積分值除以頻帶A至D的合成波形中的峰值P，以使振動波形歸一化 (S114)。 通過歸一化，振動波形的振動強度由無量綱數字0至1表示。因此，能夠與振動強 度無關地將檢測到的振動波形與爆震波形模型相比較。這能夠減少存儲與振動強度相對應 的大量爆震波形模型的必要，因此有利于制作爆震波形模型。 使振動強度達到歸一化后的振動波形的最高處即峰值位置(2)的時刻與振動強 度達到爆震波形模型的最高處的時刻相一致，并且在該狀態下，為每個曲柄角計算歸一化 后的振動波形與爆震波形模型之間的偏差的絕對值AS(I)。基于AS(I)的總和E AS(I) 和表示按照曲柄角對振動波形的振動強度進行積分的值S，將相關系數K計算為K = (S-E AS(I))/S(S116)。這允許用數字表示且客觀地判定所檢測到的振動波形與爆震波 形模型之間的一致程度。進一步，通過振動波形與爆震波形模型之間的比較，能夠從諸如振 動衰減傾向等的振動行為中分析該振動是否源自爆震。 進一步，將90度積分值P除以BGL，由此計算爆震強度N(S118)。如果相關系數 K大于預定值并且爆震強度N大于判定值V(KX)(在S120中為"是")，則判定已發生爆震 (S122)，并將點火正時延遲(S124)。這防止了爆震。 如果不滿足相關系數K大于預定值且爆震強度N大于預定值V(KX)的條件(在 S120中為"否")，則判定尚未發生爆震(S126)，并且將點火正時提前(S128)。以此方式，通 過比較爆震強度N和判定值V(KX)， 一個點火循環接著一個點火循環地判定是否已發生爆 震，并且相應地將點火正時延遲或提前。 如上所述，在根據本實施例的爆震判定裝置中，如果使得受除爆震以外的噪聲的 重疊影響更大并易于與爆震相對應的振動重疊的頻帶(例如，第一切向模式的頻帶)中的 振動的權重更小，則能夠減少在判定爆震中噪聲的影響。因此，防止了由受噪聲影響的頻帶 中的振動引起的對爆震的錯誤判定，同時使用易于與爆震相對應的振動重疊的頻帶中的振 動能夠進行爆震判定，由此能夠減少錯誤判定。因此，能夠提供可以減少對爆震的錯誤判定的、用于內燃機的爆震判定裝置和爆震判定方法。 由于權重的任何改變或者取決于爆震特有的振動在每個頻帶上重疊的容易性，每
個頻帶的頻率分布的中值均可能偏離其它頻帶的振動強度的頻率分布的中值。因此，使用
每個頻帶的振動強度頻率分布的中值的平均值作為基準來校正頻率分布，由此抑制頻率分
布中的中值偏離對所檢測到的振動強度的影響，并且能夠減少對爆震的錯誤判定。 在本實施例中，通過使得第一切向模式的頻帶中的振動的權重更小，減小了噪聲
對爆震判定的影響。可替代地或者另外地，可以改變所述權重，使得由于除爆震以外的噪聲
的重疊而對爆震判定的影響小于規定程度且易于與爆震相對應的振動重疊的頻帶的振動
強度的比率增大。也通過此方法，能夠減小在判定爆震中噪聲的影響，因此，能夠防止對爆
震的錯誤判定。由于除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響小于規定程度且易于與
爆震相對應的振動重疊的頻帶是例如第三切向模式的頻帶。例如，第三切向模式的頻帶的
權重系數可以增大到大于"l. 0"的值(例如為"2. 0")。 如這里已經描述的實施例僅僅是示例，不應該解釋為限制性的。本發明的范圍由 對實施例的書面描述進行適當考慮的每條權利要求來決定，并包含位于權利要求中語言的 含義范圍內并與其等同的變型。
1權利要求
一種用于內燃機的爆震判定裝置，包括檢測單元(300)，所述檢測單元(300)檢測所述內燃機(100)的振動；和判定單元(200)，所述判定單元(200)連接到所述檢測單元(300)；其中所述判定單元(200)從所述檢測到的振動中分別提取與爆震相對應的多個預定頻帶的振動，改變所提取的所述多個頻帶的振動強度的權重，使得減小除爆震以外的噪聲的影響，基于所述多個頻帶的振動強度來檢測預定曲柄角間隔的振動波形，并且使用所述檢測到的振動波形來判定在所述內燃機(100)中是否已發生爆震。
2. 根據權利要求1所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中所述判定單元(200)改變所述權重，使得在所提取的所述多個頻帶的振動強度中，由 于除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響大于規定程度的至少一個頻帶的振動強 度的比率減小。
3. 根據權利要求2所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中 所述多個頻帶的所述振動包括第一切向模式的頻帶的振動；并且所述判定單元(200)改變所述權重，使得第一切向模式的頻帶中的振動強度的權重小 于其它頻帶中的振動強度的權重。
4. 根據權利要求1所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中所述判定單元(200)改變所述權重，使得在所提取的所述多個頻帶的振動強度中，由 于除爆震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響小于規定程度的至少一個頻帶的振動的 比率增大。
5. 根據權利要求4所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中 所述多個頻帶的所述振動包括第三切向模式的頻帶的振動；并且所述判定單元(200)改變所述權重，使得第三切向模式的頻帶中的振動強度的權重大 于其它頻帶中的振動強度的權重。
6. 根據權利要求1所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中基于所述多個頻帶的所述振動強度的頻率分布的強度中值，所述判定單元(200)校正 所述頻率分布，并且除了所述檢測到的振動波形之外，還使用所述校正過的頻率分布來判定在所述內燃機 (100)中是否已發生爆震。
7. 根據權利要求6所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中所述判定單元(200)使用所述多個頻帶的所述振動強度的頻率分布的強度中值的平 均值作為基準來校正所述頻率分布。
8. 根據權利要求1所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中所述判定單元(200)基于所述多個頻帶的所述振動強度的預定曲柄角之間的積分值 的總和來計算爆震強度，并且基于所述計算出的爆震強度與預定判定值之間的比較結果來判定在所述內燃機(100) 中是否已發生爆震。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的用于內燃機的爆震判定裝置，其中 除了所述爆震強度的比較結果之外，所述判定單元(200)還基于所述檢測到的振動波形與作為所述內燃機(100)的振動波形基準的預定波形模型之間的比較結果來判定在所 述內燃機(100)中是否已發生爆震。
10. —種用于內燃機的爆震判定方法，包括以下步驟 檢測所述內燃機(100)的振動；從所述檢測到的振動中提取與爆震相對應的預定的多個頻帶的振動； 改變所提取的所述多個頻帶的振動強度的權重，使得減小除爆震以外的噪聲的影響； 基于所述多個頻帶的振動強度來檢測預定曲柄角間隔的振動波形；以及 使用所述檢測到的振動波形來判定在所述內燃機(100)中是否已發生爆震。
11. 根據權利要求10所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中所述改變步驟改變所述權重，使得在所提取的所述多個頻帶的振動強度中，由于除爆 震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響大于規定程度的至少一個頻帶的振動強度的比 率減小。
12. 根據權利要求11所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中 所述多個頻帶的所述振動包括第一切向模式的頻帶的振動；并且所述改變步驟改變所述權重，使得第一切向模式的頻帶中的振動強度的權重小于其它 頻帶中的振動強度的權重。
13. 根據權利要求IO所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中所述改變步驟改變所述權重，使得在所提取的所述多個頻帶的振動強度中，由于除爆 震以外的噪聲的重疊而對爆震判定的影響小于規定程度的至少一個頻帶的振動的比率增 大。
14. 根據權利要求13所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中 所述多個頻帶的所述振動包括第三切向模式的頻帶的振動；并且所述改變步驟改變所述權重，使得第三切向模式的頻帶中的振動強度的權重大于其它 頻帶中的振動強度的權重。
15. 根據權利要求10所述的用于內燃機的爆震判定方法，還包括以下步驟 基于所述多個頻帶的所述振動強度的頻率分布的強度中值來校正所述頻率分布；其中 除了所述檢測到的振動波形之外，所述判定步驟還使用所述校正過的頻率分布來判定在所述內燃機(100)中是否已發生爆震。
16. 根據權利要求15所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中所述校正步驟使用所述多個頻帶的所述振動強度的頻率分布的強度中值的平均值作 為基準來校正所述頻率分布。
17. 根據權利要求10所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中 所述判定步驟包括以下步驟基于所述多個頻帶的所述振動強度的預定曲柄角之間的積分值的總和來計算爆震強 度；以及基于所述計算出的爆震強度與預定判定值之間的比較結果來對在所述內燃機(100) 中是否已發生爆震做出判定。
18. 根據權利要求10至17中任一項所述的用于內燃機的爆震判定方法，其中 除了所述爆震強度的比較結果之外，所述判定步驟還基于所述檢測到的振動波形與作為所述內燃機(100)的振動波形基準的預定波形模型之間的比較結果來判定在所述內燃 機(100)中是否已發生爆震。
全文摘要
發動機ECU執行包括以下步驟的程序從由爆震傳感器檢測到的振動中提取多個頻帶的振動強度，將所提取的每個頻帶的振動強度乘以權重系數，并與曲柄角相對應地將這些結果相加來計算每五度的積分值(S104)；基于頻帶E的振動波形與預先制作的爆震波形模型之間的比較結果來計算相關系數K(S116)；計算爆震強度N(S118)；根據所計算出的相關系數K和爆震強度N來判定爆震的發生(S122)；以及根據所計算出的相關系數K和爆震強度N來判定爆震沒有發生(S126)。
文檔編號G01L23/22GK101796380SQ200880105489
公開日2010年8月4日 申請日期2008年7月28日 優先權日2007年9月3日
發明者千田健次, 吉原正朝, 山迫靖廣, 竹村優一, 笠島健司, 花井紀仁, 金子理人 申請人:豐田自動車株式會社