JP2801688B2

JP2801688B2 - 内燃機関の動作状態検出装置

Info

Publication number: JP2801688B2
Application number: JP1273658A
Authority: JP
Inventors: 俊輔久保田; 寛丸
Original assignee: Japan Energy Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 1989-10-23
Filing date: 1989-10-23
Publication date: 1998-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JPH03188344A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は内燃機関の動作状態検出装置に関するもので
ある。

（従来の技術）自動車に搭載される内燃機関においては、点火時期を
最大トルクを発生し得る点火時期（M.B.T.）まで進角制
御して燃費や出力性能が最良のものとなるように制御す
る必要がある。しかしながら、自動車の走行条件や内燃
機関の運転状態に応じて最適点火時期が相異しており、
例えば比較的低速回転域においてはノッキングが発生す
る限界の点火時期がM.B.T.よりも遅れ側にあるため、点
火時期をM.B.T.に設定するとノッキングが発生してしま
い、燃費や出力性能が著しく低下してしまう。従って、
内燃機関の異常動作、特にノッキングの発生を正確に検
出できる内燃機関の動作状態検出装置の開発が強く要請
されている。

従来、ノッキングを検出するセンサとして特公昭41−
5154号公報に開示されている圧電素子を用いたセンサが
既知である。このセンサは、座金状の圧電素子が点火プ
ラグ内に装着され、燃焼室内に生ずる圧力変化が電気信
号に変換され、検出した電気信号から燃焼室内で発生し
た圧力変化が検出されている。

さらに、別のノッキング検出装置として、圧電素子で
構成される振動センサを用いるノッキング検出装置が既
知であり、振動センサからの電気信号を種々のフィルタ
回路を経てノッキングに相当する周波数成分の信号が検
出され、ノッキング判定回路を経てノッキングの発生が
検出されている。

（発明が解決しようとする課題）上述した圧力センサや振動センサを用いるノッキング
検出装置は、センサをシリンダヘッドに固定し燃焼室内
で発生する圧力変化を検出しているため、シリンダヘッ
ドに発生する燃料の燃焼以外の振動も同時に検出してし
まい、S/N比が極めて悪くなる欠点があった。しかも、
振動センサや圧力センサは検出出力が電気信号として発
生し、この電気信号はシリンダヘッドの位置で発生する
ため、出力信号である電気信号を信号処理回路まで送出
する間においてノイズが発生し易く、著しくS/N比が低
下する不都合が生じていた。このため、ノッキングに相
当する圧力や振動成分を取り出すために複雑な信号処理
が必要であり、処理回路が複雑化及び高価になる欠点が
あった。さらに、複雑な信号処理が必要なため、信号処
理に長時間がかかってしまい、応答性が悪くなる不都合
も生じていた。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、内燃
機関の異常動作状態の発生時にノッキングの発生を、複
雑な信号処理を必要とせず簡単な構成で、しかも高精度
に検出できる内燃機関の動作状態検出装置を提供するも
のである。

（課題を解決するための手段）本発明による内燃機関の動作状態検出装置は、高融点
金属の薄膜により構成され、内燃機関の燃焼室内に生ず
る熱流束に応じた光エネルギーを放射する黒体放射体
と、前記黒体放射体を先端に支持する耐熱性光伝送体と、前記黒体放射体から発生し、光伝送体を伝播する光エ
ネルギーを受光する光検出器と、前記光検出器からの出力信号に基いて内燃機関の動作
状態を検出する信号処理回路とを具え、前記信号処理回路が、前記光検出器の出力信号を時間
微分して１次微分信号を発生する微分回路と、クランク
角検出センサからの出力信号と前記微分回路からの出力
信号とに基づき、前記１次微分信号のピーク値発生タイ
ミングを検出するピーク検出回路と、このピーク検出回
路に接続され、前記１次微分信号のピーク値発生タイミ
ングと基準タイミングとを比較するタイミング比較回路
とを有することを特徴とするものである。

（作用）点火式内燃機関における異常燃焼であるノッキングの
発生要因として種々の要因があり、例えば火炎伝播面の
前方壁面付近で発生する自己着火や火炎伝播速度の急増
等が考えられる。これらの現象は、いずれも正常な燃焼
に比べて短時間で終了する急速燃焼と考えることがで
き、これらの要因により熱流束が急激に増大したり局所
的熱流束が増大する。すなわち、火炎伝播速度が急速に
増大し熱流束が急増したり、或いは燃焼室の壁面付近で
局所的熱流束が増大すると、燃焼室内に異常な圧力波が
発生し、この圧力波によって燃焼室壁部に圧力振動が生
じ、この圧力振動がノッキングとして検知される。とこ
ろで燃焼によって発生する総熱量はノッキングの発生の
有無に拘わらず一定のものと考えることができる。そし
て、ノッキングのない正常な燃焼状態においては点火プ
ラグ付近で発生した火炎は対向壁面に向けて相対的にゆ
っくり伝播するから相対的に長時間に亘る安定燃焼が生
じ、ノッキング発生時には短時間で終了する急速燃焼が
生じていると考えることができる。従って、発生した熱
が燃焼室の壁部に放熱されることを考慮すれば、正常燃
焼においては相対的にdQ/dtが小さく低密度の熱流束が
発生し、ノッキング発生時には相対的にdQ/dtが大きく
高密度の熱流束が発生するものと考えることができる。
従って燃焼により発生する熱流束の変化を検出すること
により内燃機関の動作状態を的確に検出することができ
る。

燃焼室内で発生する熱流束を検出するものとして第１
図に示す黒体放射体を利用したセンサが考えられる。耐
熱性光伝送体１の先端に黒体放射体２を形成し、この光
伝送体を支持部材３を介して燃焼室壁部４に装着する。
燃焼室５内で燃料ガスが燃焼してQgasの熱量が発生する
ものとする。この熱発生によってQgas/Aの熱流束が発生
し、この熱流束が黒体放射体の表面に到達する。そし
て、熱流束の熱エネルギーが黒体放射体２に熱伝達し、
黒体放射体は流入する熱流束に応じて昇温し、黒体放射
体自身の温度に応じた光エネルギーを放射する。従っ
て、所定の周波数の熱流束パルスが黒体放射体２に入射
するものと考えると、黒体放射体から同一周波数の光エ
ネルギーが放射されるものと考えることができる。そし
て、放射された光エネルギーは光伝送体１を伝播し外部
に取り出される。従って、光伝送体１を伝播してくる光
エネルギーを受光し、この光エネルギーに基いて黒体放
射体２の温度の変化状態を求めることにより、各燃焼サ
イクルで発生する熱流束の変化を検出することができ
る。

第２図は黒体放射体に高密度の熱流束パルス及び低密
度の熱流束パルスが入射したときの黒体放射体の温度変
化に模式的に示すグラフである。横軸を時間を示し縦軸
は黒体放射体の温度を示す。また、実線は高密度熱流束
パルスが入射したときの特性を示し、破線は低密度の熱
流束パルスが入射したときの特性を示す。熱流束パルス
が黒体放射体表面に到達したとき、黒体放射体に伝達さ
れる熱量は、燃焼ガスの温度とセンサの温度との間の温
度差と熱伝達関数との積で規定され、熱伝達関数は燃焼
ガスの速度、圧力の関数と考えることができるから、黒
体放射体に伝達する熱量は、熱流束に依存する。従っ
て、高密度の熱流束パルスが入射した場合、黒体放射体
は急速に昇温し、短時間で高いピーク温度に到達する。
一方、低密度の熱流束パルスが入射した場合、黒体放射
体は比較的ゆるやかに昇温し、低いピーク温度を発生す
る。従って、黒体放射体の温度変化の時間微分、ピーク
温度、ピーク温度発生時間のいずれかを検出することに
より燃焼によって発生する熱流束密度、従ってノッキン
グの発生等の内燃機関の動作状態を検出することができ
る。本発明はこのような認識に基づくものであり、燃焼
室内に黒体放射体を配置し、この黒体放射体から放射さ
れる光エネルギーを光学的に検出し、光検出器からの出
力信号に基づいて内燃機関の動作状態を検出する。黒体
放射体を利用した検出センサを用いる場合、黒体放射体
から放射される光エネルギーは、シリンダに生ずる振動
のような外部要因からの影響を全く受けないから、簡単
な信号処理回路により高精度でノッキングの発生を検知
することができる。しかも、黒体放射体から放射された
光エネルギーを、光ファイバを用いることにより任意の
位置まで伝播させることができる利点が達成されると共
に、伝送中に外部からのノイズの影響を受ける不都合も
解消される。しかも、黒体放射体を利用した光学式検出
装置は、数10kHzの周波数応答性及び0.01℃の高分解能
を有しているから、内燃機関が高速回転しても高精度な
検出を行うことができる。

（実施例）第３図は本発明によるノッキング検出装置を具える４
サイクルエンジンの一例の構成を示す線図である。シリ
ンダヘッドに吸気弁10、排気弁11及び点火プラグ12を取
り付ける。さらに、シリンダヘッドの壁部に、本発明に
よる検出装置のセンサ13を先端の黒体放射体14が燃焼室
内に位置するように装着する。このセンサの装着位置
は、黒体放射体14がピストン15の上死点付近であって点
火プラグ12より遠く離れて位置するように設定する。こ
のように黒体放射体を点火プラグより遠く離れた位置に
配置することにより、発生する熱流束の状態を正確に検
出することができる。

第４図は本発明による内燃機関の動作状態検出装置の
全体構成を示す線図である。シリンダヘッドの壁部20を
貫通するようにセンサを装着し、センサの先端を燃焼室
21内に突出させる。このセンサはサファイヤロッドで構
成される耐熱性ロッド状光伝送体22を有し、その先端部
に黒体放射体23を形成する。この黒体放射体23は、プラ
チナ、ロジウムのような光学的に不透明な高融点材料を
数μｍの厚さでスパッタリングすることにより形成され
る。尚、黒体放射体23がシリンダ壁面より5mm以上突出
するように配置する。けだし、5mm以上突出させること
により、壁面付近に存在する境界層の影響を受けず、熱
流束密度を正確に検出することができるからである。光
伝送体22をステンレスのような金属材料で構成される支
持部材24によって支持する。支持部材24の外周にネジ山
を形成すると共にシリンダヘッドの壁部20にネジ溝を形
成し、ワッシャ25を介して支持部材24を壁部20に螺合す
る。また、光コネクタ26を支持部材24に螺着して光伝送
体22を光ファイバ27に光学的に結合する。点火プラグ12
が作動すると、点火プラグ付近で火炎が発生し、火炎が
対向壁に向けて伝播する。従って、黒体放射体23には点
火後最も時間が遅れて火炎が到達することになる（第３
図参照）。火炎伝播に伴ない、延焼ガスすなわち熱流束
が黒体放射体23の表面に到達し、黒体放射体は発生する
熱流束の状態に応じて昇温する。黒体放射体23は極めて
熱容量の小さい貴金属の蒸着膜で形成されているため、
熱流束に対して極めて高速に応答する。黒体放射体23が
昇温すると、黒体放射体から熱流束に対応した強度の光
エネルギーが発生し、発生した光エネルギーはロッド状
光伝送体22及び光ファイバ27を伝播する。光ファイバ27
の出射側にレンズ28、フィルタ29およびレンズ30を配置
し、伝播してくる光のうち特定の波長光を光検出器31に
入射させる。前述したように、黒体放射体23は発生する
熱流束に応じた強度の光エネルギーを放射するから、光
検出器31は発生する熱流束すなわち燃焼室内における燃
焼状態を表わす電気信号を発生する。この電気信号を増
幅器23によって増幅してから信号処理回路に供給する。

次に、上述した検出装置を用いて内燃機関の動作状態
を測定した実験結果について説明する。実験条件は以下
の通りである。

１）使用した内燃機関：排気量500ccの単気筒エンジン２）回転数:1500r.p.m. ３）エンジンの動作状態は、ガソリンのオクタン価及び
点火角を変えて正常動作状態、軽度のノッキング発生状
態及び重度のノッキング発生状態の３種類の動作状態と
した。

（ｉ）正常動作状態オクタン価:100 点火角：−８゜圧縮比:7.6 （ii）軽度のノッキング発生状態オクタン価:100 点火角：−15゜圧縮比:7.0 （iii）重度のノッキング発生状態オクタン価:80 点火角：−15゜圧縮比:7.0 ４）増幅された光検出器からの出力信号を演算処理して
黒体放射体の温度に対応した温度信号を出力すると共
に、この温度信号を時間微分して微分出力信号を発生
し、並行してエンジンブロックに圧力センサを装着して
エンジンブロックで発生した圧力振動も測定した。ま
た、クランク角検出センサからのデータも併せて測定し
た。

第５図ａは正常動作時の測定結果を示し、第５図ｂは
ノッキング音を聴取できない程度の軽度のノッキング発
生時の測定結果を示し、第５図ｃはノッキング音が聴取
できる重度のノッキング発生時の測定結果を示す。第５
図ａ〜ｃにおいて、最上段に検出圧力（相対値）を示
し、中段に検出した温度（相対値）を示し、下段に温度
信号の微分出力値（相対値）を示し、横軸はクランク角
度を示す。第５図ａに示す正常動作状態において、測定
圧力は、点火後クランク角15゜の付近から徐々にゆるや
かに上昇してピーク圧力に達し、その後ゆるやかに減少
している。また、黒体放射体の温度も圧力と同様にゆる
やかに上昇してピーク温度に到達し、その後ゆるやかに
降温している。また、温度の時間微分もゆるやかに上昇
し、ピークに到達した後ゆるやかに減少している。第５
図ｂに示す軽度のノッキング発生状態においては、圧力
曲線のピーク圧力付近からノッキング特有の高周波圧力
振動が発生している。黒体放射体の温度はやや急上昇す
る傾向にあり、温度のピーク値は正常動作状態に比べて
2.4倍に達している。さらに、温度の時間微分にもピー
クが発生している。第５図ｃに示す重度のノッキングが
発生している動作状態においては、ピーク圧力付近から
ノンキング特有の強い高周波圧力振動が検出された。ま
た、黒体温度も急激な昇温特性を示し、温度のピークは
正常動作時に比べて4.5倍に達している。さらに、温度
の時間微分も強いピークが発生した。これらの実験結果
を表１に示す。尚、計測値は相対強度であるため、正常
動作時の計測値を１として相対強度を以て表示する。

表１に示す実験結果より明らかなように、ノッキング
の強度が強くなるに従ってピーク温度も増大し、温度の
時間微分もノッキング強度に従って急激に増大してい
る。従って、燃焼室内に配置した黒体放射体のピーク温
度及び温度の時間微分のいずれかを検出することによ
り、ノッキングの発生及び発生したノッキングの強度を
検出することができる。さらに、前述したように、エン
ジンの動作状態は温度の時間微分のピーク発生タイミン
グの変化としても現れるから、この微分のピークの発生
タイミングからノッキングの発生を検出することもでき
る。尚、光検出器からの出力信号のピーク値は黒体放射
体の最高温度と相関しているから、光検出器からの出力
信号のピーク値はノッキング強度を表し、従って出力ピ
ークをそのまま検出信号として利用することができる。
同様に、光検出器からの出力信号を時間微分した微分信
号もノッキング強度と相関関係を有しているから、微分
信号のピーク値をそのまま検出信号として利用すること
ができる。

第６図は本発明によるノッキング検出装置の処理回路
の一例の構成を示す回路図である。光検出器31からの出
力信号を増幅器32で増幅し、コンデンサＣ及び抵抗Ｒか
ら成るハイパスフィルタ40を通過させ、0.01Hz程度の低
周波成分をカットする。これにより、ベースレベルの変
動分がカットされた黒体放射体のピーク温度を指示する
信号が得られる。この信号をA.G.C.回路（自動利得制御
回路）に供給し、その出力を比較器42に供給する。比較
器42の他方の入力端子にA.G.C.回路41に入力する信号を
供給して、これらの信号を比較する。A.G.C.回路41の出
力信号は基準出力となるから、ハイパスフィルタ40から
の出力信号がA.G.C.回路の出力信号より大きい場合、ノ
ッキングの発生を検知できる。また、増幅器32の出力を
微分回路43に供給して時間微分した信号を発生させ、こ
の微分信号を比較器44に供給して基準限界値と比較す
る。微分信号が限界値を越えた場合ノッキングの発生が
検知される。さらに、微分回路43から出力される微分信
号をピーク検出回路45に供給し、クランク角検出センサ
46からの角度信号に基づいて微分信号のピークが発生す
るタイミングを検出し、この出力信号をタイミング比較
回路47に供給して点火角検出センサ48で検出した点火タ
イミングと比較する。この比較結果を比較器49に供給し
て限界値と比較し、微分ピークが所定の限界値より速く
発生した場合ノッキングの発生を検知する。このように
構成すれば、簡単な回路構成でノッキングの発生を容易
に検知することができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形
や変更が可能である。例えば上述した実施例では内燃期
間の異常動作状態としてノッキングをあげたが、ノッキ
ングだけに限定されず点火タイミングの異常動作等も検
出することができる。特に、点火タイミングが早すぎる
とノッキングと同様に黒体放射体の温度ピーク及び温度
の微分ピークも増大するから、同一の回路構成で容易に
検出できる。

さらに、上述した実施例では、限界値と比較すること
によりノッキングの発生を検知したが、光検出器からの
出力信号のピーク値又は光検出器からの出力信号の時間
微分のピーク値を用いて点火プラグを駆動する点火信号
の発生タイミングを制御することもできる。

（発明の効果）以上説明した本発明の効果を要約すると次の通りであ
る。

（１）燃焼室内に黒体放射体を配置し、黒体放射体か
ら放射される光エネルギーを光伝送体を介して外部から
観測して燃焼状態を検出しているので、外部要因による
影響をほとんど受けず内燃機関の動作状態を正確に検出
することができる。特に、異常動作であるノッキングの
発生時には、熱流束が急増し黒体放射体から放射される
光エネルギーも急激に増大するため、聴取できない程度
の軽度のノッキングが発生してもノッキングの発生を明
確に検出することができる。

（２）内燃機関の異常動作の程度例えばノッキングの
強度は、光検出器からの出力強度及び光検出器からの出
力信号の時間微分のピーク値と対応しているから、これ
らの出力信号に基いて点火時期を自動的に制御すること
ができる。

（３）検出センサ、圧力センサや振動センサと異なり
可動部分を有していないから、ノイズの影響を受けにく
く信頼性耐久性に優れた動作状態検出を実現することが
できる。

（４）黒体放射体を利用した検出センサを用いている
ので、エンジンに生ずる機械的な振動だけでなく電場及
び磁場の影響も餅度く受けないので、一層ノイズの少な
い高精度のノッキング検出を行うことができる。さら
に、黒体放射体を利用した検出センサは、数10Khzの周
波数応答性を有しているから、高精度のノッキング検出
を行なうことができる。

（５）黒体放射体は光学的に不透明な高融点材料被膜
で構成できるので、燃焼によって発生するスス等の付着
による影響をほとんど受けず、耐久性に優れた動作状態
検出装置を実現することができる。

（６）光学式温度センサを用いれば、黒体放射体から
放射された光エネルギーを検出信号としているので、光
ファイバを用いて検出信号を任意の位置まで伝送するこ
とができ、しかも伝送中に外部からの要因によって影響
を受けないので、一層S/N比の高いノッキング検出を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は黒体放射体を利用した検出センサによって燃焼
室内で発生した熱流束の状態を検出する構成を模式的に
示す線図、第２図は黒体放射体の表面に熱流束が到達したときの黒
体放射体の昇温状態を模式的に示すグラフ、第３図は本発明による検出センサを備える４サイクルエ
ンジンの一例の構成を示す線図、第４図は本発明による内燃機関の動作状態検出装置の構
成を示す線図、第５図ａ〜ｃは各種動作状態における圧力特性、温度特
性及び時間微分特性を示すグラフ、第６図は異常動作検出回路の一例の構成を示す回路図で
ある。 20……シリンダ壁部、21……燃焼室 22……光伝送体、23……黒体放射体 24……支持部材、26……光コネクタ 27……光ファイバ、31……光検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01M 15/00 F02D 45/00 368 F02P 17/00 - 17/12 G01J 5/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属の薄膜により構成され、内燃機
関の燃焼室内に生ずる熱流束に応じた光エネルギーを放
射する黒体放射体と、前記黒体放射体を先端に支持する耐熱性光伝送体と、前記黒体放射体から発生し、光伝送体を伝播する光エネ
ルギーを受光する光検出器と、前記光検出器からの出力信号に基いて内燃機関の動作状
態を検出する信号処理回路とを具え、前記信号処理回路が、前記光検出器の出力信号を時間微
分して１次微分信号を発生する微分回路と、クランク角
検出センサからの出力信号と前記微分回路からの出力信
号とに基づき、前記１次微分信号のピーク値発生タイミ
ングを検出するピーク検出回路と、このピーク検出回路
に接続され、前記１次微分信号のピーク値発生タイミン
グと基準タイミングとを比較するタイミング比較回路と
を有することを特徴とする内燃機関の動作状態検出装
置。
【請求項２】前記黒体放射体が、燃焼室の壁面より5mm
以上内部空間に向けて突出配置されていることを特徴と
する請求項１に記載の内燃機関の動作状態検出装置。
【請求項３】前記黒体放射体を、内燃機関のピストンの
上死点付近であって点火プラグから遠く離れるように配
置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機
関の動作状態検出装置。