JP5605003B2 - エンジン構造 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン構造、特にノックセンサによるノッキングの検出精度を高めるためのエンジン構造に関する。
ノッキングは、適正な着火によらずに圧力上昇などによって混合気の一部が自然着火する異常燃焼である。ノックセンサは、そのノッキングによって生じる振動を検出するためにエンジンに取り付けられる。その取付構造の一例が特許文献1に記載されている。それは、オープンデッキ構造のシリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用の取付ボスを設けるとともに、該取付ボスに連結されて外壁面を延びるリブを設け、該リブの中間にリブ断面積が小さくなった括れ部を設けるというものである。すなわち、ノッキングの共振周波数はエンジンの運転条件や使用環境で多少ばらつく。そこで、リブに括れ部を設けることで、ノッキング共振周波数がばらつく範囲で全体的に振動レベルが大きくなるように、該リブの共振周波数帯域を広くし、ノッキングの検出洩れを少なくするというものである。ノッキングが検出された場合は、ノッキングを生じないようにエンジンの点火時期や燃料噴射量が制御される。
特開2009−203872号公報
ところで、ノッキングは、エンジンの点火時期をリタードさせたり、空燃比をリーンにすると治まる。しかし、例えばエンジンの低回転の運転条件において、点火時期のリタード等を行なったときに、ノッキングによる振動ではないが、これに似た燃焼に関わるノイズを発生することがある。これは擬似ノックと呼ばれている。図12はノックセンサで検出されるノッキングによるノック信号と擬似ノック信号とを模式的に示す。ノック信号と擬似ノック信号とは周波数が同等であるから、この擬似ノックが発生したときにノッキングの発生と誤って検出するおそれがある。その場合、点火時期が不必要にリタードされる等の不具合があり、エンジンの適正な燃焼制御に不利になる。
そこで、本発明は、エンジン構造に工夫を加えて、上記擬似ノックに対策することを課題とする。
本発明者は、擬似ノック信号は、ノック信号に比べて、発生時間が長いだけでなく、発生タイミングが遅く、また、時間の経過と共に周波数が下がっていくことを実験により確認した。これに基いて擬似ノックの発生原因及び振動伝播経路を検討した。
すなわち、ノッキングはエンドガスゾーンで発生し、主としてシリンダヘッドからシリンダブロックのノックセンサに振動が伝播される。これに対して、擬似ノックは、その発生タイミングがノッキングに比べて遅く、時間の経過と共に周波数が下がることから、筒内温度及び体積が影響している、つまり燃焼圧が擬似ノックの発生原因になっていると考えられる。ピストンが下降するに従って燃焼圧の周波数が下がるから、この燃焼圧で加振されてノックセンサに伝達される振動の周波数も低下するということである。また、擬似ノックの発生タイミングが遅く、且つ発生時間が長いということは、筒内容積が大になってもノックセンサに擬似ノックによる振動が伝わってきているということである。そのことは、擬似ノックがシリンダボア壁を経由してノックセンサに伝達されて該ノックセンサで検出されていることを意味する。
以上の知見及び更なる実験・検討に基いて本発明は完成されたものであり、ここに提示するエンジン構造では、配列された複数の気筒を有するオープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成されているとともに、該シリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられている。そして、上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっている。
すなわち、ウォータジャケットの底が浅いということは、それだけシリンダボア壁の剛性は高くなり、振動しにくくなっているということである。上記エンジン構造では、シリンダブロックのノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底が浅くなっているから、擬似ノックが発生した場合でも、ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のシリンダボア壁は擬似ノックによる振動が抑制され、ノックセンサに伝わる振動レベルが低くなる。よって、擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することが少なくなる。
一方、ノッキングはエンドガスゾーンで発生し、その振動は主としてシリンダヘッド側からノックセンサに伝達される。従って、上述の如くウォータジャケットの底を浅くして擬似ノックのノックセンサへの伝達を抑制しても、ノッキングの検出に支障を来すことがない。
本発明を限定する趣旨ではないが、好ましいのは、上記擬似ノックの振動レベル低減のために、上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの深さを、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの深さの例えば85/100以下とすることである。
上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底は、上記取付ボスよりも下方に離して位置付けることが好ましい。すなわち、ウォータジャケットの底が取付ボスに近づくほど該取付ボス自体の振動がシリンダボア壁によって抑制され、シリンダヘッド側から振動が伝わるノッキングの検出にも不利になるからである。
上記取付ボスが設けられている側のウォータジャケットは、気筒列方向の全長にわたって、反対側のウォータジャケットより浅くすることができる。しかし、好ましい実施形態では、上記取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底は、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における中間部に対応する部位(シリンダボアのセンタ側に対応する部位)において、各シリンダボア間に対応する部位よりも浅くなるように隆起した構成にされる。すなわち、このシリンダボア間に対応する部位のウォータジャケットの底は、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの底と同程度の深さにするというものである。そして、シリンダブロックの両側の外壁各々の各シリンダボア間に対応する部位にシリンダヘッド締結用のボルト孔が形成される。
これにより、ウォータジャケットの底が隆起した部分が、シリンダヘッド締結用ボルトの軸力を直接受けることがなくなる。従って、ボルト軸力がシリンダボアまわりに不均等にかかることが避けられる。すなわち、ウォータジャケットの底を部分的に浅くする構造の採用がシリンダボアの新たな変形要因になることが避けられる。
以上のように、本発明によれば、オープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成され、片側の外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられているエンジン構造において、上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっているから、ノッキングの検出に支障を来すことなく、ノックセンサに伝わる擬似ノックの振動レベルを下げることができ、該擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することを防止する上で有利になる。
エンジンの全体構成を示す斜視図である。 シリンダブロックの平面図である。 シリンダブロックの吸気側の側面図である。 シリンダブロックの排気側の側面図である。 図3のA−A線断面図である。 ウォータジャケットの吸気側の底の起伏を示す図である。 図3のB−B線断面図である。 ウォータジャケットの吸気側の底上げ量とライナ感度との関係を示すグラフ図である。 シリンダブロックの吸気側外壁の取付ボスまわりを示す斜視図である。 吸気側外壁にオイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部が設けられた比較例を示す説明図である。 本発明例及び比較例の取付ボスの振動特性を示すグラフ図である。 ノックセンサで検出されるノック信号と擬似ノック信号とを模式的に示す図である。
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
図1に示すエンジンにおいて、1は複数の気筒を一列に配置した直列多気筒のシリンダブロック(アッパブロック)、2はシリンダヘッド、3はシリンダロアブロックである。このエンジンは、自動車に対して、気筒列方向を車幅方向にした横置きとし且つ後方排気後方スラント式に搭載される。シリンダヘッド2に与えた符号4は吸気ポートである。
シリンダブロック1には、その片側、すなわち、吸気側の外壁上部にノックセンサ用の取付ボス5が設けられている。この取付ボス5には後述のノッキング検出感度を高めるための縦リブ6が付設されている。なお、符号7はオイルレベルゲージ挿入孔を形成する外側に膨出して下方に延びる円筒状膨出壁部であり、符号8はオイルセパレータ部である。
図2に示すように、シリンダブロック1は、シリンダ外壁11とシリンダボア壁12の上端とが結合していないオープンデッキ構造のものであり、エンジンフロント側(図2において左側)から順に一列に並ぶ第1〜第4のシリンダボア13a〜13dを備えている。そして、シリンダ外壁11とシリンダボア壁12との間にウォータジャケット14が形成されている。シリンダブロック1の各シリンダボア間に対応する位置、並びに両端部にシリンダヘッド2を締結するためのボルト孔15が設けられている。
また、シリンダブロック1の上記取付ボス5が設けられていない排気側の各シリンダボア間に対応する位置には、エンジンオイルをシリンダヘッド2からクランク室やオイルパンに戻すオイル落とし孔16が設けられている。一方、上記取付ボス5が設けられた吸気側には、上記オイル落とし孔は設けられていない。すなわち、エンジンを後方排気後方スラント式としたため、オイルを落とし易い排気側のみにオイル落とし孔16を設け、エンジンの軽量化・構造簡素化を図ったものである。
吸気側のオイルレベルゲージ挿入孔17は第1シリンダボア13aと第2シリンダボア13bとの間に対応する位置に設けられている。また、上記取付ボス5は、図3にシリンダブロック1の吸気側外壁11aを示すように、第3シリンダボア13cに対応する位置(ボアセンタよりも第2シリンダボア13b寄りの位置)に設けられている。なお、図3では各シリンダボアのセンタ位置を1点鎖線で示し、これに符号13a〜13dを与えている。
この吸気側外壁11aには、オイルレベルゲージ挿入孔17を形成する円筒状膨出壁部7が設けられ、さらに、この円筒状膨出壁部7と取付ボス5とを結ぶ横リブ19、円筒状膨出壁部7よりエンジンフロント側に延びる横リブ20、並びに取付ボス5よりエンジンリヤ側に延びる横リブ21が設けられている。
一方、図4に示すように、シリンダブロック1の排気側外壁11bには、オイル落とし孔16を形成する外側に突出して上下に延びる円筒状膨出壁部22が各シリンダボア間に対応する位置に設けられ、さらに、相隣る円筒状膨出壁部22を結ぶリブ23が設けられている。なお、図3及び図4ではシリンダブロック1のスカート部は輪郭のみを描いている。
従って、吸気側外壁11aにはオイルレベルゲージ挿入孔17を形成する円筒状膨出壁部7が設けられているが、オイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部は存在しない。そのため、オイル落とし孔16を形成する円筒状膨出壁部22が各シリンダボア間に対応する位置に設けられている排気側外壁11bに比べて、吸気側外壁11aの剛性、特に取付ボス5が設けられている部分の剛性が低くなっている。このことはノックセンサ(図示省略)によって擬似ノックをノッキング発生と誤検出し易くなることにつながる。これを防止するために、本発明では、ウォータジャケット14の深さを部分的に変えている。以下、具体的に説明する。
ウォータジャケット14は深さが均一ではなく、図5に示すように、シリンダブロック1の上記取付ボス5が設けられている吸気側には、排気側に比べて底が浅くなった部分が設けられている。
すなわち、図6にシリンダブロック1の吸気側におけるウォータジャケット14の底の起伏を示すように、この吸気側では、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向におけるセンタ側に対応する部位の底14aは、各シリンダボア間に対応する部位の底14bよりも浅くなるように隆起している。なお、図6では各シリンダボアのセンタ位置を1点鎖線で示し、これに符号13a〜13dを与えている。これに対して、取付ボス5が設けられていない排気側では、ウォータジャケット14の底14cは気筒列方向の全長にわたって同じ深さにされている。そして、各シリンダボア間に対応する部位の底14bは、排気側のウォータジャケット14の底14cと同程度の深さに設定されている。
図5は第1シリンダボア13aの気筒列方向におけるセンタ側での横断面図であり、吸気側の隆起した底14aと排気側の底14cとの高低関係を示している。吸気側の底14aと排気側の底14cとに高低差を付けたのは、ノックセンサに伝わる擬似ノックの振動レベルを下げるためである。
一方、ウォータジャケット14の深さに関し、各シリンダボア間に対応する部位において、吸気側の底14bと排気側の底14cとが同程度の深さにしたのは、ウォータジャケット14の深さに高低差を設ける構成がシリンダボア13a〜13dの新たな変形要因となることを避けるためである。すなわち、上述の如く、シリンダヘッド2をシリンダブロック1に締結するボルト孔15は各シリンダボア間に対応する位置に設けられている。従って、図7に示すように、吸気側のボルト孔15と排気側のボルト孔15とは、ウォータジャケット14の深さが同じ位置にあり、図6に示すようにウォータジャケット14の底が隆起した部分が、シリンダヘッド締結用ボルトの軸力を直接受けることがなくなる。よって、ボルト軸力がシリンダボアまわりに不均等にかかることが避けられる。
<擬似ノックの振動レベルの低減について>
上記エンジン構造によれば、ノックセンサ用の取付ボス5が設けられている吸気側では、各シリンダボア13a〜13dの気筒列方向におけるセンタ側のウォータジャケット14の底が浅くなっている。すなわち、吸気側のシリンダボア壁12の剛性が高くなっている。従って、擬似ノックが発生したときの、吸気側のシリンダボア壁12の振動が抑制され、加えて、ノックセンサ用の取付ボス5が設けられている吸気側外壁11aの共振周波数と吸気側のシリンダボア壁12の共振周波数を意図的に一致させないことにより、吸気側外壁11aと連成した吸気側のシリンダボア壁12の振動が抑制され、ノックセンサに伝わる振動レベルが低くなり、擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することが少なくなる。
一方、エンドガスゾーンで発生するノッキングの振動は主としてシリンダヘッド側からノックセンサに伝達されるから、吸気側のウォータジャケット14の底が浅くなっていても、ノックセンサによるノッキングの検出に支障を来すことが避けられる。
図8は排気側に対する吸気側のウォータジャケット14の底上げ量がライナ感度(シリンダボア壁を加振したときのノックセンサの応答性=センサ感度)に及ぼす影響をCAE解析した結果を示す。この場合、ライナ感度が低いほど、擬似ノックの振動レベルが低いということ、すなわち、擬似ノックが検出されにくいということになる。
図8によれば、吸気側の底上げ量が増大するにつれてライナ感度が直線的に低下しており、この底上げによって擬似ノックがノッキング発生と誤検出される可能性が少なくなることがわかる。従って、上述の如く、エンジンの軽量化のために吸気側のオイル落とし孔を廃止してシリンダ外壁11の剛性を排気側に比べて低下させても、上記底上げによって、重量増を特に招くことなく、擬似ノックを誤検出することを避けることができる。
上記底上げは、ウォータジャケット14の底が取付ボス15の高さに達しない範囲で行なうことができ、その底上げ量は、排気側のウォータジャケット深さの15/100以上、さらには20/100以上にすることが好ましい。
<ノッキング検出感度を高めるための縦リブ6について>
上述の如く、吸気側のオイル落とし孔を廃止すると、エンジンの軽量化に有利になるが、ノッキングの検出に関しては別の問題を生ずる。その解決のために、上記縦リブ6を吸気側外壁11aに設けている。
すなわち、ノッキング発生の有無はノックセンサの出力からバンドパスフィルターによって特定周波数成分を抽出し、その特定周波数成分の信号を閾値と比較することで判定される。この場合、バンドパスフィルターで濾波される周波数はノッキングによる振動がピークとなるようなシリンダブロックの共振周波数とされるが、その共振周波数はエンジンの運転条件等によってばらつく。従って、例えば代表的な共振周波数である7.5kHz付近のみをバンドパスフィルターで抽出するだけでは、高精度のノッキング判定が難しくなる。
この点に関し、吸気側にオイル落とし孔を設けている場合は、比較的広い共振周波数帯域で振動レベルが高いフラットな特性が得られる。しかし、吸気側のオイル落とし孔を廃止すると、共振周波数帯域のフラットな特性が崩れ、高周波数側で振動レベルが低下する。その場合、運転条件等によってノッキングの共振周波数がばらつくケースでは、ノッキングを精度良く検出できない。
そこで、図9に上記実施形態に係る吸気側外壁11aの取付ボス5まわりの構造を示すように、取付ボス5に結合されてその両側へ気筒列方向に延びる横リブ19,21を設けるとともに、取付ボス5のボア間側の側面に結合されて該取付ボス5から上下(ボア軸方向)に延びる縦リブ6を設けている。図10は吸気側外壁11aにオイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部25が設けられた比較例を示し、その円筒状膨出壁部25は取付ボス5の側面に結合された状態で上下に延びている。
図11は図9及び図10各々の構造における取付ボス5の振動特性を簡易モデルで評価した結果を示す。なお、同図において、縦軸はイナータンスA/F(Aは所定振幅Fの加振を加えたときの取付ボスの加速度である)、横軸は加振周波数(Hz)である。同図によれば、取付ボス5に縦リブ6を付設した図9の構造は、共振周波数及びイナータンスがオイル落とし孔用円筒状膨出壁部25がある図10のケースと同等ないしはそれよりも上回っている。これから、上記縦リブ6によって、全体的に振動レベルが高い幅広のノッキング共振周波数帯域が形成されることがわかる。
1 シリンダブロック(アッパブロック)
2 シリンダヘッド
3 シリンダロアブロック
5 取付ボス
6 縦リブ
11 シリンダ外壁
11a 吸気側外壁
11b 排気側外壁
12 シリンダボア壁
13a
〜13d シリンダボア
14 ウォータジャケット
14a
〜14c 底
15 ボルト孔
16 オイル落とし孔
17 オイルレベルゲージ挿入孔

Claims (2)

  1. 配列された複数の気筒を有するオープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成されているとともに、該シリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられているエンジン構造であって、
    上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっていることを特徴とするエンジン構造。
  2. 請求項1において、
    上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側の上記ウォータジャケットの底は、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向におけるセンタ側に対応する部位において各シリンダボア間に対応する部位よりも浅くなるように隆起し、
    上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のシリンダボア間に対応する部位のウォータジャケットの底と、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの底とが同程度の深さになされ、
    上記シリンダブロックの両側の外壁各々の各シリンダボア間に対応する部位にシリンダヘッド締結用のボルト孔が形成されていることを特徴とするエンジン構造。
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