JP2658318B2

JP2658318B2 - オクタン価測定装置

Info

Publication number: JP2658318B2
Application number: JP63314950A
Authority: JP
Inventors: 哲朗石田; 喜朗団野; 一英栂井; 弘光安東; 大介三林
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1988-12-15
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1997-09-30
Anticipated expiration: 2012-09-30
Also published as: JPH02216439A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、測定者の聴感に頼ることなく種種の燃料の
オクタン価を迅速且つ自動的に判定し得る信頼性の高い
車両用内燃機関のオクタン価測定装置に関する。

＜従来の技術＞火花点火内燃機関における通常の燃焼は、点火プラグ
から与えられる火花で混合気の一部が着火され、その火
炎が混合気内を伝播することにより進行するが、ノッキ
ングは未燃焼部分の混合気の一部又は全部が圧縮による
温度上昇のため、火炎の伝播を待たずに自己着火して一
時に燃焼することにより起こる。この急激な燃焼に伴う
燃焼室内の圧力の急上昇と圧力波の伝播により、機関各
部の機械的な振動や点火プラグ，ピストン等の過熱を生
じるため、ノッキングは火花点火内燃機関にとって最も
有害な現象の一つであると云うことができる。

しかし、この火花点火内燃機関（以下、単に機関と略
称する）から最大トルクを引き出す点火時期は、周知の
ようにノッキングが発生する条件の近傍にあることか
ら、機関から最大トルクを引き出そうとすればするほど
ノッキングを生じる確率が高くなる傾向を有する。従っ
て、機関からできるだけ最大トルクを引き出そうとする
場合には、アンチノック性の高い燃料を使用することが
一つの条件となる。

通常、燃料のアンチノック性を示す尺度としてはオク
タン価が採用されているが、これは規定の測定用機関に
おいて試料と同じアンチノック性を示すイソオクタンと
ノルマルヘプタンとを混合した標準燃料中に含めるイソ
オクタンの容量％の数値で表される。つまり、ASTM（ア
メリカ試験・材料協会）で規定したオクタン価測定用の
単筒機関（CFR機関）を用い、測定者が試料と同じ挙動
を示す標準燃料を聴感にて選び出し、この標準燃料のオ
クタン価を試料のオクタン価として設定しているのであ
る。

＜発明が解決しようとする課題＞燃料のオクタン価を決定する従来の方法では、測定者
の聴感によって試料と同じ挙動を示す標準燃料を選びだ
すようにしてオクタン価の決定がなされるため、測定者
の個人差や体調によって測定値に充分な普遍性を持たせ
ることが難しく、従って測定作業に当っては高い熟練度
が要求される。

＜課題を解決するための手段＞火花点火内燃機関における通常の燃焼の化学反応は、
第１段階の過酸化物反応、第２段階の冷炎反応（又はホ
ルムアルデヒド反応）、第３段階の熱炎反応の各段階を
経て行われる。この段階の中で爆発的反応を起すのは第
３段階であり、第1,第２段階は燃料中の炭化水素がホル
ムアルデヒドやOH,HO₂等の高エネルギの遊離基に分解さ
れる前駆反応である。ノッキング発生条件近傍において
は、自己着火寸前の圧力及び温度になっている燃焼室内
の未燃領域で第1,第２段階の前駆反応が進行しており、
高エネルギの遊離基が多く、通常よりも化学的に活性化
された状態になっていると考えられる。このため、そこ
に火炎面が到達すると、前駆反応に要する遅れなしで直
ちに第３段階の熱炎反応が起こり、火炎速度ひいては熱
発生率が高くなると考えられるのである。

そこで、Ｇを燃焼ガス量,Aを仕事の熱当量,Pを燃焼室
内圧,dVを燃焼室容積変化量とした時、熱発生量dQは dQ＝Ｇ・du＋Ａ・Ｐ・dV …（１）となる。（１）式中でduは内部エネルギ増分であり、Cv
を定容比熱,dTを温度変化量,Rを気体定数,kを比熱の比
とした時、である。（２）式及び気体の状態方程式Ｐ・Ｖ＝Ｇ・Ｒ・Ｔを（１）式に代入してとなる。θをクランク角位相とすると、熱発生率dQ/dθ
は（３）式よりとなる。ここで、圧縮上死点（θ＝０゜）から圧縮上死
点後50゜（θ＝50゜）までのクランク角位相である燃焼
行程では、であるから、（４）式はと近似できる。つまり、熱発生率は燃焼室内圧の１階微
分で近似できることが判る。

かかる知見に基づき、本発明者らは筒内圧センサを組
込んだ排気量2000ccの機関を2000r.p.mで全負荷状態と
なるように設定し、点火時期の進角を15゜（θ＝−15
゜）,20゜（θ＝−20゜）,25゜（θ＝−25゜）の三種類
選択すると共にレギュラーガソリンとプレミアムガソリ
ンとを用いて実験を行ったところ、第５図（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示す結果が得られた。図中、実線がレ
ギュラーガソリンで破線がプレミアムガソリンを表す。
これらの結果から、点火時期の進角が20゜BTDC及び25゜
BTDCのノッキング発生条件或いはその近傍においては、
ノッキングの発生の有無に関係なく燃焼速度が早くな
り、（４）式或いは（５）式より求めた熱発生率の変化
が点火時期の進角を15゜BTDCに設定した通常の燃焼の場
合よりも急激となり、特に熱発生率の最初のピークを10
0（％）とした場合、50％から10％に熱発生率が下降す
る燃焼行程の最終領域において、レギュラーガソリンと
プレミアムガソリンとの熱発生率の変化に大きな相違が
認められた。

そこで、第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す熱発生
率のそれぞれ最初のピークの50％から10％に至る時間間
隔を機関のクランク角度に置き換えて求め、40回計測し
た時のデータを値の小さな順に並べ直してプロットした
結果を第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）に表す。図中、●
印はノッキングが発生した場合を示しており、これから
明らかなように、レギュラーガソリンはノッキング発生
条件或いはその近傍において燃焼行程の最終領域の期間
が通常燃焼の場合よりも大幅に短縮化するのに対し、プ
レミアムガソリンの場合にはこれがほとんど変化しない
のである。

本発明による車両用内燃機関のオクタン価測定装置
は、以上の結果をふまえてなされたものであり、内燃機
関の燃焼室内の燃焼圧力を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の回転状態を検出する回転状態検出手段
と、前記筒内圧検出手段と前記回転状態検出手段とから
の検出信号に基づいて前記内燃機関が所定の回転状態に
おける前記内燃機関の熱発生率の変化時間を演算する演
算装置と、オクタン価が既知で相互に異なる複数の標準
燃料における前記内燃機関が所定の回転状態の熱発生率
の変化時間を記憶した記憶装置と、該記憶装置に記憶さ
れた複数の標準燃料における熱発生率の変化時間と前記
演算装置によって求められた熱発生率の変化時間とを比
較して前記燃焼室内に供給された燃料のオクタン価を判
定する比較判定装置とを具えたことを特徴とするもので
ある。

また、本発明による車両用内燃機関のオクタン価測定
装置は、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力を検出する筒内
圧検出手段と、前記内燃機関の回転状態を検出する回転
状態検出手段と、前記筒内圧検出手段と前記回転状態検
出手段とからの検出信号に基づいて前記内燃機関の熱発
生率の立下がり領域における該熱発生率の変化率の最小
値を演算する演算装置と、オクタン価が既知で相互に異
なる複数の標準燃料における前記内燃機関の熱発生率の
立下がり領域における該熱発生率の変化率の最小値を記
憶した記憶装置と、該記憶装置に記憶された複数の標準
燃料における熱発生率の最小値と前記演算装置によって
求められた熱発生率の変化率の最小値とを比較して前記
燃焼室内に供給された燃料のオクタン価を判定する比較
判定装置とを具えたことを特徴とするものである。

＜作用＞オクタン価が未知の燃料を用いて車両用内燃機関を運
転し、この内燃機関に組み込まれた筒内圧検出手段が燃
焼室内の燃焼圧力を検出すると共に、回転状態検出手段
が機関の回転状態を検出し、比較判定装置が記憶装置に
記憶された複数の標準燃料における熱発生率の変化時間
と演算装置によって求められた熱発生率の変化時間とを
比較して燃焼室内に供給された燃料のオクタン価を判定
する。

また、比較判定装置が記憶装置に記憶された複数の標
準燃料における熱発生率の最小値と演算装置によって求
められた熱発生率の変化率の最小値とを比較して燃焼室
内に供給された燃料のオクタン価を判定することもでき
る。

＜実施例＞本発明による車両用内燃機関のオクタン価測定装置を
二軸式頭上カム軸機関に応用した一実施例の概念を表す
第１図に示すように、機関11のシリンダヘッド12には、
このシリンダヘッド12とシリンダブロック13と該シリン
ダブロック13内を摺動するピストン14とによって囲まれ
た燃焼室15にそれぞれ先端が臨む点火プラグ16と内燃機
関の燃焼室内の燃焼圧力を検出する筒内圧検出手段とし
ての筒内圧センサ17とが取付けられている。シリンダヘ
ッド12を摺動自在に貫通する弁棒18の上方には、吸気弁
19を介して吸気通路20を開閉するためのカム21を一体に
形成した吸気カム軸22が配置されている。なお、図示し
ない排気通路や排気弁も前記シリンダヘッド12に設けら
れ、更にこれらの上方に排気弁を駆動するための排気カ
ム軸等が配置されていることは云うまでもない。本実施
例では吸気カム軸22側に内燃機関の回転状態を検出する
回転状態検出手段としてのクランク角センサ23を組付け
ているが、排気カム軸側に組付けたり或いは点火プラグ
16に接続する図示しないディストリビュータ等に組付け
ることも可能である。

このクランク角センサ23及び前記筒内圧センサ17には
演算装置24が接続し、演算装置24はこれら筒内圧センサ
17からの燃焼室15内の圧力信号及びクランク角センサ23
からのクランク角位相信号を受け、熱発生率の変化状況
を演算装置24の能力に応じて（４）式或いは（５）式に
より実時間で演算するようになっている。この場合、筒
内圧センサ17からの出力信号に含まれるノッキング等に
よる高周波振動成分をフィルタでカットすることが望ま
しい。つまり、指圧線図には常時高周波の振動成分が重
畳しており、この振動成分をカットすることにより、熱
発生率の変化状況が第５図及び第６図に示すように単純
化されるのである。上記フィルタとしては、自動車のノ
ッキング制御等で実時間性が要求される場合には、フー
リエ級数形フィルタが有効であり、又、ベンチテストの
測定機器等で実時間性が重要でない場合には、直接FFT
法を用いたフィルタやプライン関数法を用いたフィルタ
が有効である。

本実施例では、熱発生率の変化状況として燃料のオク
タン価の相違が最も顕著に現れる熱発生率の最初のピー
クの値を示すクランク角θ₁₀₀の50％の値を示すクラン
ク角θ₅₀から10％の値を示すクランク角θ₁₀に至る時間
を（４）式或いは（５）式に基づいて求めた。つまり、
演算装置24のフローチャートを表す第２図に示すよう
に、クランク角θと筒内圧Ｐとに基づいて（４）式或い
は（５）式より熱発生率が最大値を示すクランク角θ
₁₀₀を決定し、その50％の熱発生率を示すクランク角θ
₅₀から10％の熱発生率を示すクランク角θ₁₀に至る立下
り時間を演算する。なお、この場合には、ノッキングに
よって発生する大きさなピークをカットすることが必要
となる。これは、ノッキング発生時の熱発生率の変化状
態から単純にピークを採ると、ノッキングによるピーク
が最大値となることが多く、本発明で検出したい最大値
は正常燃焼時のピークであることに因る。上記カット法
としては、正常燃焼時の熱発生率の波形パターンを記憶
してこれから大きく外れる部分はカットするパターンマ
ッチング法や、ノッキングによるピークは正常燃焼時に
発生するピークの後に必ず発生することから、一回の燃
焼行程中に二つ発生するピークのうち、後から発生する
ピークを無視する方法が有効である。

このようにして本実施例では40回の燃焼行程をサンプ
リングし、それぞれ求められた立下り時間｜θ₅₀−θ₁₀
|を加算してこれを熱発生率の変化状況を数値化したも
のと設定する。なお、この熱発生率の変化状況としては
40回の各立下り時間｜θ₅₀−θ₁₀|の値を小さい順に並
べて第６図に示す如くグラフ化したり、平均値とするこ
とも当然可能であり、θ₁₀₀からθ_０に至る立下り時間
で演算しても良い。又、機関の運転条件としてはレギュ
ラーガソリンとプレミアムガソリンとで相違が出やすい
ような条件、例えば点火時期の進角を25゜BTDCにする等
の運転条件を設定することが望ましい。

一方、この演算装置24と共に比較判定装置25に接続す
る記憶装置26には、予めオクタン価が既知の複数種の標
準燃料を試料と同一条件で燃焼させ、第２図に示した手
順に従ってそれぞれ40回の立下り時間の演算結果を加算
し、これら各標準燃料の加算結果が記憶されている。そ
して、比較判定装置25はそのフローチャートを表す第３
図に示すように、オクタン価を測定すべき試料の加算結
果と、記憶装置26に記憶された標準燃料の加算結果とを
比較し、試料のオクタン価を決定する。このため、記憶
装置26に記憶される標準燃料の種類が多いほど、測定結
果の信頼性が高くなることは云うまでもない。なお、試
料の加算結果に対して同一な加算結果の標準燃料を見い
出せないような場合には、補間法等によって試料のオク
タン価を判定する。

以上のように、本実施例では熱発生率の変化状況とし
て熱発生率の立下り期間の長さを把握するようにした
が、熱発生率の立下り領域におけるその変化率の最小値
を、熱発生率と相関関係にある物理量として把握するこ
とも可能である。具体的には、演算装置24により熱発生
率の立下り領域におけるその変化率の最小値を燃焼室内圧の２階微分で求め、これと予め記
憶装置26に記憶された複数の標準燃料の立下り領域にお
ける変化率の最小値とを比較判定装置25にて比較し、試料のオクタ
ン価を判定する。つまり、熱発生率の変化率は（４）式よりとなるが、圧縮上死点（θ＝０゜）から圧縮上死点後50
゜（θ＝50゜）までのクランク角位相である燃焼行程で
は、であるから、（６）式はと近似できる。換言すれば、熱発生率dQ/dθの変化率は筒内圧の２階微分で近似できるので、筒内圧センサ17
からの検出信号に基づき、演算装置24の能力に応じて
（６）式或いは（７）式より熱発生率の変化率の変化状
況を比較し、試料のオクタン値を判定する。

なお、これらの実施例では点火時期の進角を一定に保
持したが、本発明の別な一実施例のフローチャートを表
す第４図に示すように、オクタン価の相違する複数種の
標準燃料を用いてそれぞれ点火時期を進めながら運転
し、各40回の立下り時間の平均値が予め設定した基準値
以下となる時の点火時期をそれぞれ記憶しておく一方、
試料を用いて点火時期を進めながら運転し、40回の立下
り時間の平均値が前述の基準値以下となる時の点火時期
を求め、これと先の標準燃料の点火時期とを比較して試
料のオクタン価を判定することも可能である。この場
合、点火時期の初期値は、試料と標準燃料とで立下り時
間に差が生じないような点火時期を設定することが望ま
しい。又、先にも述べたように熱発生率と筒内圧とは
（５）式等から明らかなように比例関係にあるため、筒
内圧或いはその変化率の変化状況から直接試料と標準燃
料とのオクタン価を比較することも可能である。

＜発明の効果＞本発明の車両用内燃機関のオクタン価測定装置によれ
ば、比較判定装置が記憶装置に記憶された複数の標準燃
料における熱発生率の変化時間と演算装置によって求め
られた熱発生率の変化時間とを比較して燃焼室内に供給
された燃料のオクタン価を判定するか、あるいは、比較
判定装置が記憶装置に記憶された複数の標準燃料におけ
る熱発生率の最小値と演算装置によって求められた熱発
生率の変化率の最小値とを比較して燃焼室内に供給され
た燃料のオクタン価を判定するようにしたので、従来の
ように測定作業者が点火時時期を逐次変えて行くような
必要性も全くなく、機関の運転条件を一定に保持したま
ま測定でき、測定作業時間の大幅な短縮化が可能であ
る。しかも、測定作業者の個人差による誤差を完全に排
除することができるため、再現性の高い測定結果を得ら
れる。更に、ノッキングが発生する前にオクタン価を測
定することができ、内燃機関の損傷を抑制することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の概念を表すブロック
図、第２図はその演算装置のフローチャート、第３図は
比較判定装置のフローチャート、第４図は本発明の他の
一実施例における演算装置のフローチャート、第５図
（ａ），（ｂ），（ｃ）は点火時期を変えた場合のレギ
ュラーガソリンとプレミアムガソリンとの熱発生率の変
化状況をそれぞれ表すグラフ、第６図（ａ），（ｂ），
（ｃ）は熱発生率の最大値の50％から10％に至る時間を
演算した際の40回の測定値を小さい順に並べ直した状態
をそれぞれ表すグラフである。又、図中の符号で11は機関、15は燃焼室、16は点火プラ
グ、17は筒内圧センサ、23はクランク角センサ、24は演
算装置、25は比較判定装置、26は記憶装置である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安東弘光東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (72)発明者三林大介東京都港区芝５丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−202360（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力を検出する
筒内圧検出手段と、前記内燃機関の回転状態を検出する
回転状態検出手段と、前記筒内圧検出手段と前記回転状
態検出手段とからの検出信号に基づいて前記内燃機関が
所定の回転状態における前記内燃機関の熱発生率の変化
時間を演算する演算装置と、オクタン価が既知で相互に
異なる複数の標準燃料における前記内燃機関が所定の回
転状態の熱発生率の変化時間を記憶した記憶装置と、該
記憶装置に記憶された複数の標準燃料における熱発生率
の変化時間と前記演算装置によって求められた熱発生率
の変化時間とを比較して前記燃焼室内に供給された燃料
のオクタン価を判定する比較判定装置とを具えたことを
特徴とする車両用内燃機関のオクタン価測定装置。
【請求項２】内燃機関の燃焼室内の燃焼圧力を検出する
筒内圧検出手段と、前記内燃機関の回転状態を検出する
回転状態検出手段と、前記筒内圧検出手段と前記回転状
態検出手段とからの検出信号に基づいて前記内燃機関の
熱発生率の立下がり領域における該熱発生率の変化率の
最小値を演算する演算装置と、オクタン価が既知で相互
に異なる複数の標準燃料における前記内燃機関の熱発生
率の立下がり領域における該熱発生率の変化率の最小値
を記憶した記憶装置と、該記憶装置に記憶された複数の
標準燃料における熱発生率の最小値と前記演算装置によ
って求められた熱発生率の変化率の最小値とを比較して
前記燃焼室内に供給された燃料のオクタン価を判定する
比較判定装置とを具えたことを特徴とする車両用内燃機
関のオクタン価測定装置。