用于内燃机的爆震判定装置和爆震判定方法

专利名称：用于内燃机的爆震判定装置和爆震判定方法
技术领域：
本发明涉及内燃机中的爆震判定，更具体涉及一种基于内燃机的振动波形来判定
发动机是否爆震的技术。
背景技术：
传统上，已经提出了用于检测在内燃机中发生的爆震(爆声)的各种方法。例如， 存在当内燃机中的振动强度大于阈值时判定产生爆震的技术。然而，即使在发动机不发生 爆震时，诸如当进气门或排气门关闭时所受到的振动等的噪声的强度也可能高于阈值。在 这种情形中，虽然实际上尚未发生爆震，但可能做出已发生爆震的错误判定。因此，已经提 出了这样的技术，其中考虑到诸如发生振动时的曲柄角和衰减率等的除强度以外的特性， 基于预定的爆震波形模型与检测到的振动波形之间的比较结果来判定是否发生发动机爆 震。 日本专利特开No. 2006-226967公开了一种用于内燃机的爆震判定装置，其以高 精度来判定是否已发生爆震。该用于内燃机的爆震判定装置包括用于检测内燃机的振动的 部件、用于从所检测到的振动中提取在内燃机的气缸内的第三和第四切向共振模式的至少 一个中的频带中的振动的提取部件、以及用于基于所提取的振动来判定在内燃机中是否已 发生爆震的判定部件。 在上述特开申请中公开的爆震判定装置中，从内燃机的振动中提取第三和第四切 向共振模式中的至少一个的频带中的振动，该第三和第四切向共振模式是在爆震时特别进 行检测的典型共振模式，因此，能够提取包括更少的除爆震以外的噪声的振动。即，能够以 高精度提取爆震产生时的振动特性。基于该振动判定是否已发生爆震。结果，能够提供能 以高精度判定是否已发生爆震的用于内燃机的爆震判定装置。 包括在爆震时特别进行检测的振动的代表性频带包括第一、第二、第三和第四切
向共振模式的频带。在这些频带中，一些频带更易与爆震所特有的振动重叠，而其他频带更
少地受到影响。例如，第一切向模式的频带中的振动比较容易与爆震所特有的振动重叠。然
而，请注意，第一切向模式的频带趋向于受到除爆震以外的噪声的影响更大。 与在上述特开申请中公开的爆震判定装置中一样，当排除第一切向模式的频带中
的振动时，结果就是，更易与爆震所特有的振动重叠的频带被排除，因此可能发生对爆震的
错误判定。另外，在判定是否已发生爆震时，如果第一切向模式的频带的影响很大，则也可
能发生对爆震的错误判定。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够减少对爆震的错误判定的、用于内燃机的爆震判定 装置和爆震判定方法。 根据一方面，本发明提供一种用于内燃机的爆震判定装置，包括检测单元，所述 检测单元检测内燃机的振动；和判定单元，所述判定单元连接到所述检测单元。所述判定单元从所检测到的振动中分别提取与爆震相对应的多个预定频带的振动，改变所提取的多个 频带的振动强度的权重，使得减小除爆震以外的噪声的影响，基于多个频带的振动强度来 检测预定曲柄角间隔的振动波形，并使用所检测到的振动波形来判定在内燃机中是否已发
生爆震。 根据本发明，判定单元改变所提取的多个频带的振动强度中的权重，使得减小除 爆震以外的噪声的影响。例如，如果使得受除爆震以外的噪声的重叠影响更大且易与爆震 相对应的振动重叠的频带(例如，第一切向模式的频带)中的振动的权重更小，则能够减少 在判定爆震中噪声的影响。因此，防止了由于受噪声影响的频带中的振动而引起的对爆震 的错误判定，同时能够使用易与爆震相对应的振动重叠的频带中的振动来做出爆震判定， 由此能够减少错误判定。因此，能够提供能减少对爆震的错误判定的、用于内燃机的爆震判 定装置。 优选地，判定单元改变权重，使得在所提取的多个频带的振动强度中，由于除爆震 以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响大于规定程度的至少一个频带的振动强度的比率 减小。 根据本发明，如果改变权重使得由于除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定影响 更大且易与爆震相对应的振动重叠的频带(例如，第一切向模式的频带)中的振动强度的 比率减小，则能够减小在爆震判定中噪声的影响。因此，能够减少对爆震的错误判定。
更优选地，所述多个频带的振动包括第一切向模式的频带的振动。所述判定单元 改变权重，使得第一切向模式的频带中的振动强度的权重小于其它频带中的振动强度的权 重。 根据本发明，通过改变权重使得第一切向模式的频带中的振动强度的比率变得更
小，能够减小在爆震判定中噪声的影响。因此，能够减少噪声的错误判定。 更优选地，所述判定单元改变权重，使得在所提取的多个频带的振动强度中，由于
除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响小于规定程度的至少一个频带的振动的比
率增大。 根据本发明，通过改变权重使得由于除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定影响
更小且易与爆震相对应的振动重叠的频带(例如，第三切向模式的频带)中的振动强度的
比率增大，能够减少在爆震判定中噪声的影响。因此，能够减少对爆震的错误判定。 更优选地，所述多个频带的振动包括第三切向模式的频带的振动。所述判定单元
改变权重，使得第三切向模式的频带中的振动强度的权重大于其它频带中的振动强度的权重。 根据本发明，通过改变权重使得在第三切向模式的频带中的振动强度的比率变得
更大，能够减小在爆震判定中噪声的影响。因此，能够减少对爆震的错误判定。 优选地，基于所述多个频带的振动强度的频率分布的强度的中值，所述判定单元
校正所述频率分布，并且，除了所检测到的振动波形之外，还使用校正过的频率分布来判定
在内燃机中是否已发生爆震。 根据本发明，判定单元基于多个频带的振动强度频率分布中的强度的中值来校正 频率分布。由于权重的任何改变或者取决于爆震特有的振动在每个频带上重叠的容易性， 每个频带的频率分布的中值可能偏离其它频带的振动强度的频率分布的中值。因此，基于每个频带的振动强度的频率分布的中值(例如，使用中值的平均值)来校正频率分布，由此 抑制频率分布中的中值偏离对所检测到的振动强度的影响，并且能够减少对爆震的错误判定。 更优选地，所述判定单元使用所述多个频带的振动强度的频率分布的强度中值的 平均值作为基准来校正所述频率分布。 根据本发明，所述判定单元基于所述多个频带的振动强度频率分布中的强度中值 的平均值来校正频率分布。结果，抑制了频率分布中的中值偏离对所检测到的振动强度的 影响，并且能够减少对爆震的错误判定。 更优选地，所述判定单元基于所述多个频带的振动强度的预定曲柄角之间的积分 值的总和来计算爆震强度，并且基于所计算出的爆震强度与预定判定值之间的比较结果来 判定在内燃机中是否已发生爆震。 根据本发明，基于预定判定值与根据所述多个频带的振动强度的预定曲柄角范围 内的积分值的总和而计算出的爆震强度之间的比较结果，能够以高精度判定在内燃机中是 否已发生爆震。 更优选地，除了爆震强度的比较结果之外，所述判定单元还基于所检测到的振动 波形与作为内燃机的振动波形基准的预定波形模型之间的比较结果来判定在内燃机中是 否已发生爆震。 根据本发明，除了爆震强度的比较结果之外，还能够基于所检测的振动波形与作 为内燃机的基准振动波形的预定波形模型之间的比较结果来以高精度判定在内燃机中是 否已发生爆震。


图1是概略构造图，示出了由作为根据一实施例的爆震判定装置的发动机ECU控 制的发动机。 图2是示出了缸内压力振动的频带的(第一)示图。
图3示出了由爆震传感器检测到的振动的频带。
图4是示出了图1的发动机ECU的控制框图。
图5示出了发动机的振动波形。 图6示出了存储在发动机ECU的ROM中的爆震波形模型。 图7是比较振动波形和爆震波形模型的(第一 )示图。 图8示出了存储在发动机ECU中的判定值V (KX)的映射。 图9示出了强度L0G(V)的频率分布。 图10包括示出了各种频带的振动强度频率分布的图表。 图11包括示出了校正之后的各种频带的振动强度频率分布的图表。 图12是表示由作为根据本实施例的内燃机爆震判定装置的发动机ECU执行的程
序的控制结构的流程图。 图13是示出了归一化后的振动波形与爆震波形模型之间的比较的图表。
具体实施例方式
以下将参照附图来描述本发明的实施例。在以下的描述中，相同的部件由相同的 附图标记表示。名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。 参照图l，将描述安装有根据本发明实施例的爆震判定装置的车辆的发动机100。 发动机100设置有多个气缸。通过由发动机ECU (电子控制单元)200执行的程序来实现根 据本实施例的爆震判定装置。 发动机100是内燃机，其中通过空气滤清器102吸入的空气和由喷射器104喷射 的燃料的混合物被火花塞106点燃并在燃烧室内燃烧。虽然对点火正时进行调节以获得 MBT(最佳扭矩的最小提前角)从而使输出扭矩最大，但例如发生爆震时，则根据发动机100 的运行状态将点火正时提前或延迟。 空气燃料混合物的燃烧导致将活塞108压下的燃烧压力，由此曲轴110旋转。燃 烧的空气燃料混合物(或排气)被三元催化剂112净化，随后排出到车辆外部。吸入到发 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、与正时转子 304相对布置的曲柄位置传感器306、节气门开度传感器308、车速传感器310、点火开关312 和空气流量计314连接到该发动机ECU 200。 爆震传感器300设置在发动机100的缸体中。爆震传感器300由压电元件来实现。 当发动机100振动时，爆震传感器300产生幅度与该振动的幅度相对应的电压。爆震传感 器300将表示电压的信号传送到发动机ECU 200。水温传感器302检测发动机100中的水 套处的冷却水的温度，并将表示检测结果的信号传送到发动机ECU 200。
正时转子304设置在曲轴110处，并且随曲轴110 —起旋转。正时转子304沿周 向设置有以预定距离间隔开的多个突起。曲柄位置传感器306与正时转子304的突起相对 地布置。当正时转子304旋转时，正时转子304的突起与曲柄位置传感器306之间的气隙 改变，使得穿过曲柄位置传感器306的线圈部分的磁通量增加/减少，从而在线圈部分处产 生电动势。曲柄位置传感器306将表示电动势的信号传送到发动机ECU 200。基于从曲柄 位置传感器306传送的信号，发动机ECU200检测曲轴110的曲柄角和转数。
节气门开度传感器308检测节气门开度，并将表示检测结果的信号传送到发动机 ECU 200。车速传感器310检测车轮(未示出)的转数，并将表示检测结果的信号传送到发 动机ECU 200。基于车轮的转数，发动机ECU 200计算车速。点火开关312由驾驶员开启， 用于起动发动机100。空气流量计314检测被吸入到发动机100中的空气量，并将表示检测 结果的信号传送到发动机ECU 200。 发动机ECU 200利用从作为电源的辅助电池320馈送的电力来运行。发动机ECU 200使用从各种传感器和点火开关312传送的信号以及存储在ROM(只读存储器)202中的 映射和程序来执行操作以控制设备，使得发动机100获得所期望的运转状态。
在本实施例中，使用从爆震传感器300传送的信号和曲柄角，发动机ECU 200以预 定的爆震检测区限(gate)(从预定的第一曲柄角到预定的第二曲柄角的区间)检测发动机 100的振动的波形(以下称为"振动波形")，并基于所检测到的振动波形来判定在发动机 IOO中是否已发生爆震。本发明的爆震检测区限是在燃烧行程中从上止点(0° )到90° 。 请注意，爆震检测区限不限于此。
当在发动机100的气缸内发生爆震时，缸内压力共振。缸内压力的该共振使发动 机100的缸体振动。因此，缸体的振动、即，由爆震传感器300检测到的振动频率通常包括 在缸内压力共振频带内。 缸内压力共振频率与缸内气柱的共振模式对应。爆震时特有的振动所出现的频带 代表性地包括一阶、二阶、三阶和四阶切向模式频带。 缸内压力共振频率是通过共振模式、孔径和声速来计算的。图2示出了在声速恒 定且孔径从X变化到Y的情况下对于每种共振模式的缸内压力共振频率的一个示例。如图 2所示，缸内压力共振频率按照如下的上升顺序变得更高一阶切向、二阶切向、一阶径向、 三阶切向、和四阶切向频带。 图2示出当发生爆震时所提供的缸内压力共振频率。在发生爆震之后，由于活塞 向下所以燃烧室的体积增大，因此燃烧室内的温度和压力降低。结果，声速减小，并且缸内 压力共振频率减小。相应地，如图3所示，当曲柄角从ATDC(上止点后)增大时，缸内压力 的频率的峰值分量减小。 由于缸内压力的共振具有这种特性，所以缸体振动。因此，在已发生爆震的点火循 环中，由爆震传感器300检测到的振动包括与一阶切向共振模式频带相同的频带A的振 动、与二阶切向共振模式频带相同的频带B的振动、与三阶切向共振模式频带相同的频带C 的振动、以及与四阶切向共振模式频带相同的频带D的振动。 如图3所示，一阶切向共振模式频带A包括缸体、活塞108、连杆、曲轴110等的共 振频率。因此，即使不发生爆震，也会在频带A中出现由于喷射器104、活塞108、进气门116、 排气门118、对燃料进行压縮并因此将燃料输送到喷射器104的泵120等的运行而不可避免 地引起的振动。 鉴于上述内容，本实施例的特征在于发动机ECU 200从由爆震传感器300检测到 的频率中提取频带A、B、D和E的振动，并改变所提取的频带A至D的振动强度之间的权重， 使得除爆震以外的噪声的影响变小。 具体地，改变权重，使得在所提取的频带A至D的振动强度之中，由于除爆震以外 的噪声的重叠而对爆震判定的影响大于规定程度的至少一个频带的振动强度的比率减小。 在本实施例中，改变权重，使得第一切向模式的频带A中的振动的权重变得小于其它频带B 至D中的振动的权重。这防止了对爆震的错误判定。 如果用于检测振动的带宽较窄，则能够减少在所检测到的振动强度中包含的噪声 成分，同时噪声成分的特征部分(例如振动发生时刻和衰减率)被从振动波形中除去。在 这种情形中，即使振动实际上来源于噪声成分，也将检测到不包括噪声成分的波形，即与爆 震时的振动波形类似的波形。因此，变得难以在振动波形中将由爆震引起的振动与由噪声 引起的振动区别开来。 因此，在本发明中，为了在产生噪声时考虑到噪声来判定是否发生爆震，对完全覆 盖频带A至D的宽频带E中的振动进行检测以包括噪声。频带E中的振动用于检测发动机 100的振动波形。 频带E中的发生爆震时的振动波形具有这样的形状，即在振动波形的峰值之后振动 缓慢地衰减。如果没有发生爆震而是由噪声引起振动，则振动波形具有圆顶形状。因此，通过 频带E中的振动波形，能够以高精度将由爆震引起的振动与由噪声引起的振动区别开来。
9
参照图4，将进一步描述发动机ECU 200。发动机ECU 200包括A/D (模拟/数 字)转换单元400、带通滤波器(1)410、带通滤波器(2)420、带通滤波器(3)430、带通滤波 器(4)440、带通滤波器(5)450和积分单元460。 A/D转换单元400将从爆震传感器300传送的模拟信号转换成数字信号。带通滤 波器(1)410仅使从爆震传感器300传送的信号中的位于第一频带A中的信号通过。具体 地，在由爆震传感器300检测到的振动中，带通滤波器(1)410仅提取第一频带A中的振动。
带通滤波器(2)420仅使从爆震传感器300传送的信号中的位于第二频带B中的 信号通过。具体地，在由爆震传感器300检测到的振动中，带通滤波器(2)420仅提取第二 频带B中的振动。 带通滤波器(3)430仅使从振动传感器300传送的信号中的位于第三频带C中的 信号通过。具体地，在由爆震传感器300检测到的振动中，带通滤波器(3)430仅提取第三 频带C中的振动。 带通滤波器(4)440仅使从爆震传感器300传送的信号中的频带D的信号通过。也 就是说，通过带通滤波器(4)440，仅从由爆震传感器300检测到的振动中提取频带D的振 动。请注意，带通滤波器(4)440可以提取第二切向第一径向模式的频带中的振动来代替第 四切向模式的频带中的振动作为频带D的振动。 带通滤波器(5)450仅使从爆震传感器300传送的信号中的频带E的信号通过。也 就是说，通过带通滤波器(5)450，仅从由爆震传感器300检测到的振动中提取频带E的振 动。 积分器460以每五度的曲柄角对由带通滤波器(1)410至带通滤波器(5)450中的 每一个所选择的信号即振动强度进行积分。以下，通过这种积分获得的值被称为积分值。为 每个频带计算出积分值。 在由积分器460计算出的积分值中，合成单元470将与曲柄角相对应的频带A至 D的积分值相加。在本实施例中，合成单元470将所计算出的频带A至D的积分值中的每 一个乘以与每个频带相对应的权重系数，并将与曲柄角相对应的频带A至D的积分值相加。 以此方式，频带A至D的振动波形进行合成。此外，频带E的积分值用作发动机100的振动 波形。 在本实施例中，将假定与频带A相对应的权重系数为"0. 5"而与其它频带B至D 对应的权重系数全部为"1.0"来给出说明。然而，该值不限于这些，并且可以通过试验等来 适当地选择，只要频带A的权重系数小于与频带B至D相对应的权重系数即可。
将图5所示的频带E的振动波形与图6所示的爆震波形模型相比较，判定是否已 发生爆震。该爆震波形模型是发动机100发生爆震时的并且被预先确定为发动机100的振 动波形基准的振动波形的模型。该爆震波形模型存储在发动机ECU 200的存储器202中。
在该爆震波形模型中，振动幅度由无量纲数字0至1表示，并且不与曲柄角一一对 应。更具体而言，对于本实施例的爆震波形模型，当确定振动强度在振动强度峰值之后随着 曲柄角增大而减小时，不能确定振动强度呈现峰值时的曲柄角。 本实施例的爆震波形模型与由爆震产生的振动的峰值强度之后的振动相对应。可 以存储与由爆震引起的振动升高之后的振动对应的爆震波形模型。 该爆震波形模型是基于当通过试验等强制发生爆震时检测到的发动机100的振
10动波形来预先形成和存储的。该爆震波形模型通过使用发动机ioo(以下称为中央特性发 动机)而形成，该发动机100的尺寸和爆震传感器300的输出值是尺寸公差和爆震传感器 300的输出公差的中位值。换句话说，爆震波形模型是当在该中央特性发动机中强制发生爆 震时获得的振动波形。形成爆震波形模型的方法不限于此，并且其可以例如通过仿真来形 成。 发动机ECU 200将所检测到的波形与所存储的爆震波形模型进行比较，并判定在 发动机100中是否已发生爆震。 在将所检测到的波形与所存储的爆震波形模型进行比较时，计算频带A至D的合 成波形的积分值的最大积分值(峰值)。另外，检测频带A至D的合成波形中的峰值(曲柄 角)的位置。在下文中，频带A至D的合成波形中的峰值位置将被称作"峰值位置(l)"。
在距离峰值位置(1)的规定范围(曲柄角)内，检测频带E中的峰值的位置。在 下文中，频带E的峰值位置将被称作"峰值位置(2)"。 在本实施例中，在峰值位置(1)之前的范围内检测峰值位置(2)。例如，从峰值位 置(1)之前的三个积分值的位置中检测峰值位置(2)。在峰值(1)之前的范围内最大的频 带E的积分值的位置被检测为峰值位置(2)。峰值位置(2)的检测范围不限于此，并且可以 在峰值位置(1)之后的范围内检测。 在所检测到的波形与爆震波形模型之间的比较中，对归一化后的波形与爆震波形 模型进行比较，如图7所示。这里，归一化例如指的是通过将每个积分值除以所检测到的 振动波形的最大积分值来以无量纲数字0至1表示振动强度。归一化的方法不限于此。
在本实施例中，发动机ECU 200计算表示归一化后的振动波形与爆震判定模型的 相似度(表示振动波形与爆震判定模型之间的偏差)的相关系数K。使归一化后的振动波 形的振动强度出现峰值的时刻与爆震波形模型的振动强度出现峰值的时刻相一致，并且在 该状态下，(以每5度) 一个曲柄角接着一个曲柄角地计算归一化后的振动波形的强度与 爆震波形模型的强度之差(偏差量)的绝对值，由此计算相关系数K。能够以不同于5度的 曲柄角、一个曲柄角接着一个曲柄角地计算振动波形的强度与爆震波形模型的强度之差的 绝对值。 利用AS(I)(其中I是自然数)表示针对每个曲柄角的归一化后的振动波形与爆 震波形模型之差的绝对值，并且利用S表示在每个曲柄角处爆震波形模型的振动强度与正 基准值之差的总和，B卩，不低于基准值的强度所占的爆震波形模型的面积。相关系数K计算 如下 <formula>formula see original document page 11</formula>
其中E AS(I)表示将振动波形与爆震振动波形相比较时曲柄角处的AS(I)的总 和。作为用于计算爆震波形模型的面积S的基准值，使用曲柄角范围内的振动波形的强度 的最小值，其中在该曲柄角范围内，执行与爆震波形模型的比较并且计算振动波形的强度 与爆震波形模型的强度之差。也可以使用除振动波形的最小强度值以外的值作为基准值， 只要该值是正的即可。请注意，可以通过不同的方法来计算相关系数K。
另外，发动机ECU 200基于在频带A至D的合成波形中的预定曲柄角(从0至90 度)的积分值(以下称为90度积分值)来计算爆震强度N。当利用P表示90度积分值并 且利用BGL(背景水平)表示在发动机100没有发生爆震时发动机100的振动强度，爆震强度N通过方程式N = P/BGL来计算。通过仿真或试验来预先确定BGL，并将BGL存储在ROM 202中。请注意，可以通过不同的方法来计算爆震强度N。 在本实施例中，发动机ECU 200将所计算出的爆震强度N与存储在ROM 202中的 判定值V(KX)相比较，并进一步将所检测到的波形与所存储的爆震波形模型相比较，来为 每一次点火循环判定在发动机100中是否已发生爆震。 如图8所示，对于使用发动机转速NE和进气量KL作为参数、按照运行状态划分 的每个范围，判定值V(KX)被存储为映射。在本实施例中，通过根据低速(NE〈NE(1))、中 速(NE(l)《NE < NE(2))、高速(NE(2)《NE)、低负荷(KL < KL(1))、中负荷(KL(l)《KL <KL(2))和高负荷(KL(2)《KL)的划分为每个气缸设置九个范围。范围的数目不限于此。 另外，可以使用除发动机转速NE和进气量KL以外的参数来划分范围。
在发动机100或该车辆装运时，通过试验等预先确定的值用作存储在ROM 202中 的判定值V(KX)(装运时的初始判定值V(KX))。取决于爆震传感器300的输出值的变化或 爆震传感器300的退化，即使在发动机100中发生的振动是相同的，所检测到的强度也可能 不同。在该情形中，必须校正判定值V(KX)并使用对实际检测到的强度而言适当的判定值 V(KX)来判定是否已发生爆震。 因此，在本实施例中，基于表示通过对强度V的对数变换而获得的强度值LOG(V) 与每个强度值LOG(V)的检测频率(次数或概率)来计算爆震判定水平V(KD)。
对于以发动机转速NE和进气量KL作为参数而限定的每一个范围，计算出强度值 LOG(V)。用于计算强度值LOG(V)的强度V是频带A至D的合成波形的预定曲柄角之间的积 分值(从0至90度的积分值)。基于所计算出的强度值LOG(V)，计算从最小值累积的强度 值LOG(V)的频率达到50X时的中值V(50)。另外，计算不大于中值V(50)的强度值LOG(V) 的标准偏差o 。例如，在本实施例中，通过下面的方法一个点火循环接着一个点火循环地计 算中值V(50)和标准偏差o ，该中值V(50)和标准偏差o与基于多个(例如200个循环) 强度值LOG(V)计算出的中值和标准偏差近似。 如果当前检测到的强度值LOG(V)大于上次计算出的中值V(50)，则把通过将预定 值C(l)与上次计算出的中值V(50)相加而获得的值设定为本次的中值V(50)。相反，如果 当前检测到的强度值LOG(V)小于次计算出的中值V(50)，则把通过从上次计算出的中值 V(50)减去预定值C(2)(例如，值C(2)可以与C(l)相同)而获得的值设定为本次的中值 V(50)。 如果本次检测到的强度值LOG(V)小于上次计算出的中值V(50)但大于通过从上 次计算出的中值V(50)减去上次计算出的标准偏差o而获得的值，则将通过从上次计算出 的标准偏差减去双倍的预定值C(3)而获得的值设定为本次的标准偏差o 。相反，如果当 前检测到的强度值LOG(V)大于上次计算出的中值V(50)，或者，如果其小于通过从上次计 算出的中值V(50)减去上次计算出的标准偏差o而获得的值，则把通过将预定值C(4)(例 如，值C(4)可以与C(3)相同)与上次计算出的标准偏差o相加而获得的值设定为本次的 标准偏差o 。可以通过其它方法来计算中值V(50)和标准偏差o 。另外，中值V(50)和标 准偏差o的初始值可以是预设值或"O"。 使用中值V (50)和标准偏差o来计算爆震判定水平V (KD)。如图9所示，通过将 系数U(l) (U(l)为常量，例如U(l) = 3)和标准偏差o的乘积与中值V(50)相加而获得的
12值被设定为爆震判定水平V(KD)。可以通过不同的方法来计算爆震判定水平V(KD)。
将大于爆震判定水平V(KD)的强度值L0G(V)的比率(频率)判定为爆震频率，并 作为爆震占有率KC。 如果爆震占有率KC大于阈值KC(O)，则对判定值V(KX)进行校正以使其减小预定 校正量，使得延迟点火正时的频率增大。校正过的判定值V(KX)存储在SRAM中。
如果爆震占有率KC小于阈值KC(O)，则对判定值V(KX)进行校正以使其增大预定 校正量，使得提前点火正时的频率增大。 系数U(l)是从通过试验等获得的数据和知识中得到的系数。大于U(l) = 3时的 爆震判定水平的强度值LOG(V)基本上等于实际发生爆震时点火循环的强度值LOG(V)。可 以使用除了 "3"以外的值作为系数U(l)。 基于多个强度值LOG(V)的频率分布是基于在频带A至D的每一个中的多个振动 强度的频率分布而获得的。具体地，基于多个强度值LOG(V)的频率分布是基于在频带A至 D中的多个振动强度的频率分布的总和而获得的。 如果与频带A相对应的权重系数被设定为"O. 5"，则频带A中的多个振动强度的 频率分布的中值可能偏离其它频带B至D中的多个振动强度的频率分布的中值。另外，在 频带A至D中检测到的输出强度不同。另外，在这些频带中，一些易受爆震的重叠影响，而 另一些不易受到影响。因此，所得到的强度值LOG(V)的频率分布的精度可能恶化。因此， 在本实施例中，基于频带A至D的振动强度频率分布的强度的中值来分别校正与频带A至 D相对应的频率分布。 具体地，如果频带A至D的频率分布如图10所示，则使用频带A至D的中值的平 均值作为基准值来校正频率分布。具体地，使用频带A至D中的每一个的中值与中值平均 值之间的偏差量来校正频带A至D的频率分布。 例如，假定在频带A的频率分布中计算出的中值是Va(50)，而频带A至D的中值 的平均值是Vm(50)。这里，中值平均值与频带A的频率分布的中值之间的偏差量被给定为 Vm(50)-Va(50)。因此，通过将偏差量Vm(50)-Va (50)与频带A的频率分布的每个强度值相 加，将频带A的频率分布的中值校正为Vm(50)。类似地，为频带B至D的频率分布而计算出 的中值Vb(50)、 Vc(50)和Vd(50)被校正为Vm(50)。以此方式，将频带A至D的频率分布 的平均值校正为基本上彼此相等，如图11所示。基于频带A至D的校正过的频率分布，获 得了多个振动强度值LOG(V)的频率分布，因此能够防止精度的恶化。 参照图12，将描述由作为根据本实施例的爆震判定装置的发动机ECU 200执行的 用于判定是否已发生爆震并由此一个点火循环接着一个点火循环地控制点火正时的程序 的控制结构。在步骤(以下表示为S) 100中，发动机ECU 200基于从曲柄位置传感器306传送 的信号来检测发动机转速NE，并基于从空气流量计314传送的信号来检测进气量KL。
在S 102中，发动机ECU 200通过从爆震传感器300传送的信号来检测发动机100 的振动强度。该振动强度由从爆震传感器300输出的电压值表示。请注意，该振动强度可 以由与爆震传感器300输出的电压值相对应的值表示。在燃烧行程中针对从上止点至90° 的角度(90°的曲柄角)检测振动强度。 在S104中，发动机ECU 200为每五度的曲柄角(仅对每5度进行积分)计算从爆震传感器300输出的电压的积分值(g卩，表示振动强度)。 一个频带接着一个频带地计算该 积分值。此时，将频带A至D的积分值乘以与各个频带相对应的权重系数，并与曲柄角对应 地相加(合成出波形)。另外，计算频带E的积分值，由此检测发动机100的振动波形。
在S106中，发动机ECU 200计算频带A至D的合成波形的90度积分值。在S108 中，发动机ECU 200计算在频带A至D的合成波形的积分值中的最大积分值(峰值)。在 S110中，检测出频带A至D的合成波形的峰值位置(1)。 在S112中，发动机ECU 200在离峰值位置(曲柄角)的预定范围内检测出频带E 中的峰值位置(2)。 在S114中，发动机ECU 200使频带E的积分值(发动机100的振动波形)归一化。 这里，归一化例如指的是通过将每个积分值除以在S108中计算出的峰值来以无量纲数字 0至1表示振动强度。归一化的方法不限于此，例如，每个积分值可以除以峰值位置(2)处 的积分值。 在S116中，发动机ECU 200计算相关系数K，该相关系数K为与归一化后的振动波 形和爆震波形模型之间的偏差相关的值。使峰值位置(2)与爆震波形模型的振动强度出现 峰值的位置(时刻)相一致，并且在该状态下，(以每5度) 一个曲柄角接着一个曲柄角地 计算归一化后的振动波形的强度与爆震波形模型的强度之差(偏差量)的绝对值，由此计 算相关系数K。 当利用AS(I)(其中I为自然数)表示每个曲柄角的归一化后的振动波形与爆震 波形模型之差的绝对值且利用S表示通过按照曲柄角对爆震波形模型的振动强度进行积 分而获得的值(爆震波形模型的面积)时，通过方程式K二 (S-E AS(I))/S来计算相关 系数K，其中E AS(I)表示AS(I)的总和。可以通过不同的方法来计算相关系数K。
在S118中，发动机ECU 200将所述90度积分值除以BGL，并计算爆震强度N。在 S120中，发动机ECU 200判定相关系数K是否大于阈值K(0)以及爆震强度N是否大于判定 值V(KX)。如果相关系数K大于阈值K(O)并且爆震强度N大于判定值V(KX)(在S120处为 "是")，则该处理前进到S122。如果不是这样(在S120处为"否")，则该处理前进到S126。
这里，上述方程式(1)能够修改为
K = 1- E AS(I)/S. (2)。
另外，方程式(2)能够修改为
E AS(I)/S = l-K. (3)。 因此，相关系数K大于阈值K(O)意味着E AS(I)/S小于l-K(O)。在S 122中，发动机ECU 200判定在发动机100中已发生爆震。在S124中，发动
机ECU 200将点火正时延迟。 在S126中，发动机ECU 200判定尚未发生爆震。在S128中，发动机ECU 200将点 火正时提前。 将基于上述构造和流程图来描述作为根据本实施例的爆震判定装置的发动机ECU 200的操作。 当发动机100处于运行中时，基于从曲柄位置传感器306传送的信号来检测发动 机转速NE，并且基于从空气流量计314传送的信号来检测进气量KL (S100)。进一步，基于 从爆震传感器300传送的信号来检测发动机100的振动强度(S102)。
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在燃烧行程中从上止点到90°的范围内，为频带A至E中的每一个的振动计算每 五度的积分值(S104)。 此时，将频带A至D的积分值乘以与各个频带A至D相对应的预定系数，并将其相 加，由此合成了振动波形，如图13中的点划线所示。进一步，由图13中的实线表示的频带E 的积分值用作发动机100的振动波形。进一步，计算出频带A至D的90度积分值(S106)。
由于使用为每五度设置的积分值来检测振动波形，所以能够检测其中抑制了细小 变化的振动波形。这使得更易于将检测到的振动波形与爆震波形模型相比较。
使用所计算出的积分值来计算频带A至D的合成波形中的积分值的峰值P(S108)。 检测峰值P的位置或峰值位置(1) (SllO)。这里，如图13所示，假定峰值位置(1)为从左边 数第六个位置(25-30度的积分值的位置)。 从峰值位置(1)之前的三个积分值(从左边起第四至第六个积分值)的位置中检 测峰值位置(2)(S112)。更具体地，在频带E中的从左边起第四、第五和第六个积分值的位 置中，将大于两个邻近积分值的积分值的位置检测为峰值位置(2)。 这里，如图13所示，从左边数第五个积分值大于两个邻近积分值(从左边起第四 至第六个积分值)。因此，将从左边数第五个积分值的位置检测为峰值位置(2)。
将频带E的积分值除以频带A至D的合成波形中的峰值P，以使振动波形归一化 (S114)。 通过归一化，振动波形的振动强度由无量纲数字0至1表示。因此，能够与振动强 度无关地将检测到的振动波形与爆震波形模型相比较。这能够减少存储与振动强度相对应 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。 使振动强度达到归一化后的振动波形的最高处即峰值位置(2)的时刻与振动强 度达到爆震波形模型的最高处的时刻相一致，并且在该状态下，为每个曲柄角计算归一化 后的振动波形与爆震波形模型之间的偏差的绝对值AS(I)。基于AS(I)的总和E AS(I) 和表示按照曲柄角对振动波形的振动强度进行积分的值S，将相关系数K计算为K = (S-E AS(I))/S(S116)。这允许用数字表示且客观地判定所检测到的振动波形与爆震波 形模型之间的一致程度。进一步，通过振动波形与爆震波形模型之间的比较，能够从诸如振 动衰减倾向等的振动行为中分析该振动是否源自爆震。 进一步，将90度积分值P除以BGL，由此计算爆震强度N(S118)。如果相关系数 K大于预定值并且爆震强度N大于判定值V(KX)(在S120中为"是")，则判定已发生爆震 (S122)，并将点火正时延迟(S124)。这防止了爆震。 如果不满足相关系数K大于预定值且爆震强度N大于预定值V(KX)的条件(在 S120中为"否")，则判定尚未发生爆震(S126)，并且将点火正时提前(S128)。以此方式，通 过比较爆震强度N和判定值V(KX)， 一个点火循环接着一个点火循环地判定是否已发生爆 震，并且相应地将点火正时延迟或提前。 如上所述，在根据本实施例的爆震判定装置中，如果使得受除爆震以外的噪声的 重叠影响更大并易于与爆震相对应的振动重叠的频带(例如，第一切向模式的频带)中的 振动的权重更小，则能够减少在判定爆震中噪声的影响。因此，防止了由受噪声影响的频带 中的振动引起的对爆震的错误判定，同时使用易于与爆震相对应的振动重叠的频带中的振 动能够进行爆震判定，由此能够减少错误判定。因此，能够提供可以减少对爆震的错误判定的、用于内燃机的爆震判定装置和爆震判定方法。 由于权重的任何改变或者取决于爆震特有的振动在每个频带上重叠的容易性，每
个频带的频率分布的中值均可能偏离其它频带的振动强度的频率分布的中值。因此，使用
每个频带的振动强度频率分布的中值的平均值作为基准来校正频率分布，由此抑制频率分
布中的中值偏离对所检测到的振动强度的影响，并且能够减少对爆震的错误判定。 在本实施例中，通过使得第一切向模式的频带中的振动的权重更小，减小了噪声
对爆震判定的影响。可替代地或者另外地，可以改变所述权重，使得由于除爆震以外的噪声
的重叠而对爆震判定的影响小于规定程度且易于与爆震相对应的振动重叠的频带的振动
强度的比率增大。也通过此方法，能够减小在判定爆震中噪声的影响，因此，能够防止对爆
震的错误判定。由于除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响小于规定程度且易于与
爆震相对应的振动重叠的频带是例如第三切向模式的频带。例如，第三切向模式的频带的
权重系数可以增大到大于"l. 0"的值(例如为"2. 0")。 如这里已经描述的实施例仅仅是示例，不应该解释为限制性的。本发明的范围由 对实施例的书面描述进行适当考虑的每条权利要求来决定，并包含位于权利要求中语言的 含义范围内并与其等同的变型。
1权利要求
一种用于内燃机的爆震判定装置，包括检测单元(300)，所述检测单元(300)检测所述内燃机(100)的振动；和判定单元(200)，所述判定单元(200)连接到所述检测单元(300)；其中所述判定单元(200)从所述检测到的振动中分别提取与爆震相对应的多个预定频带的振动，改变所提取的所述多个频带的振动强度的权重，使得减小除爆震以外的噪声的影响，基于所述多个频带的振动强度来检测预定曲柄角间隔的振动波形，并且使用所述检测到的振动波形来判定在所述内燃机(100)中是否已发生爆震。
2. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中所述判定单元(200)改变所述权重，使得在所提取的所述多个频带的振动强度中，由 于除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响大于规定程度的至少一个频带的振动强 度的比率减小。
3. 根据权利要求2所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中 所述多个频带的所述振动包括第一切向模式的频带的振动；并且所述判定单元(200)改变所述权重，使得第一切向模式的频带中的振动强度的权重小 于其它频带中的振动强度的权重。
4. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中所述判定单元(200)改变所述权重，使得在所提取的所述多个频带的振动强度中，由 于除爆震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响小于规定程度的至少一个频带的振动的 比率增大。
5. 根据权利要求4所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中 所述多个频带的所述振动包括第三切向模式的频带的振动；并且所述判定单元(200)改变所述权重，使得第三切向模式的频带中的振动强度的权重大 于其它频带中的振动强度的权重。
6. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中基于所述多个频带的所述振动强度的频率分布的强度中值，所述判定单元(200)校正 所述频率分布，并且除了所述检测到的振动波形之外，还使用所述校正过的频率分布来判定在所述内燃机 (100)中是否已发生爆震。
7. 根据权利要求6所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中所述判定单元(200)使用所述多个频带的所述振动强度的频率分布的强度中值的平 均值作为基准来校正所述频率分布。
8. 根据权利要求1所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中所述判定单元(200)基于所述多个频带的所述振动强度的预定曲柄角之间的积分值 的总和来计算爆震强度，并且基于所述计算出的爆震强度与预定判定值之间的比较结果来判定在所述内燃机(100) 中是否已发生爆震。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的用于内燃机的爆震判定装置，其中 除了所述爆震强度的比较结果之外，所述判定单元(200)还基于所述检测到的振动波形与作为所述内燃机(100)的振动波形基准的预定波形模型之间的比较结果来判定在所 述内燃机(100)中是否已发生爆震。
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)的振动；从所述检测到的振动中提取与爆震相对应的预定的多个频带的振动； 改变所提取的所述多个频带的振动强度的权重，使得减小除爆震以外的噪声的影响； 基于所述多个频带的振动强度来检测预定曲柄角间隔的振动波形；以及 使用所述检测到的振动波形来判定在所述内燃机(100)中是否已发生爆震。
11. 根据权利要求10所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中所述改变步骤改变所述权重，使得在所提取的所述多个频带的振动强度中，由于除爆 震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响大于规定程度的至少一个频带的振动强度的比 率减小。
12. 根据权利要求11所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中 所述多个频带的所述振动包括第一切向模式的频带的振动；并且所述改变步骤改变所述权重，使得第一切向模式的频带中的振动强度的权重小于其它 频带中的振动强度的权重。
13. 根据权利要求IO所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中所述改变步骤改变所述权重，使得在所提取的所述多个频带的振动强度中，由于除爆 震以外的噪声的重叠而对爆震判定的影响小于规定程度的至少一个频带的振动的比率增 大。
14. 根据权利要求13所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中 所述多个频带的所述振动包括第三切向模式的频带的振动；并且所述改变步骤改变所述权重，使得第三切向模式的频带中的振动强度的权重大于其它 频带中的振动强度的权重。
15. 根据权利要求10所述的用于内燃机的爆震判定方法，还包括以下步骤 基于所述多个频带的所述振动强度的频率分布的强度中值来校正所述频率分布；其中 除了所述检测到的振动波形之外，所述判定步骤还使用所述校正过的频率分布来判定在所述内燃机(100)中是否已发生爆震。
16. 根据权利要求15所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中所述校正步骤使用所述多个频带的所述振动强度的频率分布的强度中值的平均值作 为基准来校正所述频率分布。
17. 根据权利要求10所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中 所述判定步骤包括以下步骤基于所述多个频带的所述振动强度的预定曲柄角之间的积分值的总和来计算爆震强 度；以及基于所述计算出的爆震强度与预定判定值之间的比较结果来对在所述内燃机(100) 中是否已发生爆震做出判定。
18. 根据权利要求10至17中任一项所述的用于内燃机的爆震判定方法，其中 除了所述爆震强度的比较结果之外，所述判定步骤还基于所述检测到的振动波形与作为所述内燃机(100)的振动波形基准的预定波形模型之间的比较结果来判定在所述内燃 机(100)中是否已发生爆震。
全文摘要
发动机ECU执行包括以下步骤的程序从由爆震传感器检测到的振动中提取多个频带的振动强度，将所提取的每个频带的振动强度乘以权重系数，并与曲柄角相对应地将这些结果相加来计算每五度的积分值(S104)；基于频带E的振动波形与预先制作的爆震波形模型之间的比较结果来计算相关系数K(S116)；计算爆震强度N(S118)；根据所计算出的相关系数K和爆震强度N来判定爆震的发生(S122)；以及根据所计算出的相关系数K和爆震强度N来判定爆震没有发生(S126)。
文档编号G01L23/22GK101796380SQ200880105489
公开日2010年8月4日 申请日期2008年7月28日 优先权日2007年9月3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