JPH02204661A - 火花点火内燃機関のノッキング制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分舒〉 本発明は、火花点火内燃機関のノッキングを未然に防ぐ
ためのノッキング制御装置に関する。

〈従来の技術〉 火花点火内燃機関（以下、単に機関と称す）における正
常な燃焼は、点火プラグから与えられる火花によって混
合気の一部が着火されて火炎が発生し、更にその火炎が
混合気内を伝搬することにより進行する。ところが、点
火時期の過進角などによって機関がノッキング状態にな
ると、燃焼途中におけろ未燃焼部分の混合気が断熱圧縮
などによる温度上昇のなめに火炎の伝搬を待たず自己着
火し、−時に燃焼する。この燃焼は急激に起こるために
燃焼室内では圧力および温度が急上昇すると共に衝撃波
が発生し、機関各部の機械的振動や点火プラグ、ピスト
ンなどの過熱・溶損を生じる。したがって、ノッキング
は機関にとって最も有害な現象の一つとして、点火時期
制御（点火時期の遅角）などによる発生防止が図られて
いる。

ところが、一方で機関から最大のトルクを引き出せる点
火時期、いわゆるＭ　Ｂ　Ｔ　（Ｍｉｎｉ−ｓｕｍ　　
５ｐａｒｋ　　人ｄｖａｎｃｅ　　ｆｏｒ　　Ｂｅ５ｔ
　　Ｔｏｒｑｕｅ）　　は、周知のようにノッキングを
発生させる点火時期の近傍にある。そのため、トルクの
増大を図るべく進角量を多くとるとノッキングの発生頻
度が高くなり、逆にノッキングを抑えるべく小さくとる
とトルクの低下がもたらされる。

そこで、従来の機関ではシリンダブロックなどに圧電素
子を組み込んだノックセンサを取り付け、ノッキングに
伴う機関の振動加速度を検出することによって、最大ト
ルクを引き出しつつノッキングの発生を抑えるような点
火時期制御（進角および遅角）を行っていた。制御の具
体的手順としては、まず点火時期を徐々に進角させて行
って、ノッキングが発生した瞬間に所定量の遅角を行い
、その後ノッキングが再び発生するまでの進角を行うの
が一般的であり、これを機関運転中に常時繰り返すので
ある。

〈発明が解決しようとする課題〉 機関の振動加速度を検出してノッキングの発生を抑える
従来の方法では、実際にノッキング状態が発生しないか
ぎり検出が行われないため、例えばノッキング寸前の状
態を検知して、これを未然に防ぐということができなか
った。このため、瞬間的なノッキングは避けようがない
と共に、ノッキング発生時の遅角量も大きく採らざるを
得ず、機関保護と性能維持の両面から改善が望まれてい
た。また、ノックセンサがノッキング以外の振動を拾い
無用な遅角制御が行われてしまう場合もあり、制御精度
の向上も懸案となっていた。

本発明は上記状況に鑑みなされたもので、ノッキングの
完全防止を図りつつ最大のトルクを取り出すことが可能
な機関を製作することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明者等は機関から最大トルクを引き出しつつ確実に
ノッキングを防止しえる方法について研究し、種々の実
験を行ったところ、ノッキングの発生条件近傍において
特異な現象を発見した。すなわち、ノッキング発生条件
近傍においてはノッキングが発生しないにもかかわらず
燃焼速度が速くなり、第１図（ａ）に示すようにこの際
の熱発生率の変化（−点鎖線で示す）が通常の燃焼時（
破線で示す）に比へて急激になるのである。この原因は
次のように考えられる。

通常の燃焼時における化学反応は、第１の過酸化物反応
、第２の冷炎反応（ホルムアルデヒド反応）、第３の熱
炎反応の各段階を経て行われる。これらの段階のなかで
爆発的反応を示すのは第３段階の熱炎反応であり、過酸
化物反応と冷炎反応は燃料中の炭化水素がまずホルムア
ルデヒドやＯＲ，ＭＯなどの高エネルギーの遊離基に分
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、燃焼室内の未燃焼
領域で高圧、高温のために第１゜第２段階の前駆反応が
進行しており、通常より高エネルギーの遊離基が多い化
学的に活性化された状態となっている。したがって、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
高くなるのである。

一方、熱発生率が高くなる状態では燃焼反応が急激に進
行しているため、当然のことながら、燃焼に関する物理
量すなわち燃焼物理量も通常時に比べて変化する。例え
ば、燃焼物理量の一つである燃焼室の内圧（以下、筒内
圧）は燃焼に従い増加するが、その増加率は熱発生率が
高くなるほど大きくなる。また、その他の燃焼物理量と
して、燃料が燃焼する際の火炎を分光して得られるいわ
ゆる＃線スペクトルなどがあるが、これらも熱発生率に
伴って変化する。従って、これらの燃焼物理量の変化状
況から熱発生率あるいは熱発生率と相関関係にある物理
量の変化状況を演算することが可能となり、その変化状
況を観察すれば、機関がノッキング発生条件の近傍にあ
るか否かを知ることができるのである。

上記知見に基づき、本発明では前述の課題を解決するた
めに、 火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼にともなって変化す
る燃焼物理量を検出する燃焼物理量検出手段と、 この燃焼物理量検出手段からの検出信号に基づいて熱発
生率の変化状況を演算する演算手段と、 当該火花点火内燃機関における熱発生率の変化状況を記
憶した記憶手段と、 この記憶手段に記憶された熱発生率の変化状況と前記演
算手段によって求められた熱発生率の変化状況とを比較
することにより当該火花点火内燃機関の燃焼状態を判定
し、ノッキング状態を回避すべ（、燃焼制御を行う燃焼
制御手段と、 を具えたことを特徴とする火花点火内燃機関のノッキン
グ制御装置 を提案するものである。

尚、上述したように筒内圧などの物理量はその変化状況
が熱発生率の変化状況と相関関係にあるため、それらの
物理量の変化状況を演算して燃焼状態を判定するように
しても良い。

く作　　　用〉 機関運転中に燃焼物理量検出手段によって筒内圧などの
燃焼物理量を検出する。そして、その検出信号を演算装
置に送って熱発生率あるいはこれと相関関係にある物理
量の変化状況を演算し、その変化状況が予め記憶されて
いたノッキング寸前の変化状況と等しくなったら、点火
時期の遅角などの燃焼制御を行ってノッキングを防止す
る。

く実　施　例〉 以下、図面に基づき本発明の詳細な説明する。

第８図には実施例に係る制御システムのハードウェアを
簡略に示す。図中、１は自動車用の４サイクル４気筒ガ
ソリンエンジン（以下、エンジン）であり、各気筒の燃
焼室（シリンダヘッド）２には点火プラグ３のほか燃焼
物理量検出手段たる筒内圧センサ４が取り付けられてい
る。この筒内圧センサ４は圧電素子を組み込んだもので
あり、気筒内の圧力を電荷に変換して出力する。一方、
フライホイール５にはクランク角センサ６が隣接して設
けられており、エンジン１のクランク軸が単位角度（例
えば、１°）回転する毎に信号が出力される。

点火プラグ３は点火コイル７、パワートランジスタ８を
介して電子式制御ユニット（以下、ＥＣＵ）９に接続し
ており、このＥＣＵ９により駆動制御される。筒内圧セ
ンサ４はチャージアンプ１０．マルチプレクサ１１゜ロ
ーパスフィルタ１２を介して、またクランク角センサ６
は直に、ＥＣＵ９に接続しており、それぞれＥＣＵ９に
筒内圧とクランク角の４Ｍ号を出力する。ＥＣＵ９には
、この他に吸気系や排気浄化装置などに関連する多数の
機器が接続し、エンジン１の集中制御を行うが、煩雑に
なるため、これらの機器に関する記載は省略する。

匪１１週 第１図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）には本発明の第１実
施例を示しである。第１図（ａ）にはクランク角（θ）
と熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の関係をグラフにより示し、
第１図（ｂ）には制御の系統をブロック図により、第１
図（Ｃ）には制御の流れをフローチャートによりそれぞ
れ示しである。

第１図（ａｌに示すように、通常燃焼時における熱発生
率（破線で示す）に比べ、ノッキング寸前の状態やノッ
キング時における熱発生率（それぞれ、−点鎖線と実線
で示す）は、その立下がり方が大きく変化している。し
たがって、熱発生率の最大値から燃焼完了までの立下が
り領域における熱発生率の変化割合をある基準で判別す
れば、ノッキング寸前の状態か否かを検知することがで
きる。そして、この検知結果を用いれば、点火時期を負
荷状態やガソリンのオクタン価などに応じたＩ！に適の
値に保つことができる。

本実施例では熱発生率の立下がり領域すなわち、その最
大値から燃焼完了までのクランク角度を立下がり時間１
θ１゜。−〇。１として検出して、この検出値を絶対設
定値（エンジンの種類により異なる）と比較することで
判定するようにした。

まず、クランク角センサ６によりクランク角θが検出さ
れ、筒内圧センサ４により各気筒の筒内圧Ｐが検出され
る。

次に、ＥＣＵＱ内では熱発生率演算手段１３により下記
の手順で熱発生率ｄＱ／ｄθが演算される。

まず下記の通り、熱発生量ｄＱおよび内部エネルギ増分
ｄｕを求める各演算式と状態方程式とを用いて演算を行
う。

ｄＱ＝Ｇ−ｄｕ＋Ａ−Ｐ−ｄＶ　　　−（１１−Ｒ ｄｕ＝Ｃｖ　−ｄＴ−・ｄＴ　　−（２）ＰＶ＝Ｇ　−
Ｒ−Ｔ　　　　　　　　　　　・・・（３）但し、Ｇは
燃焼ガス量、 Ａは仕事の熱当量、 Ｒは気体定数、 Ｃｖは定容比熱、 ｋは比熱の比、 Ｔは絶対温度である。

（１１，（２１，（３１式より 従って、熱発生率（ｄＱ／ｄθ）は以下の通りである。

ｄＶ　　　　ｄＰ ではｄ１９　（ｄｅであるから、上式は次のように近似
できる。

つまり、熱発生率は筒内圧の１断機分で近似できる。

なお、上述したようにして、熱発生率を演算する際には
、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、指圧線図にはいつでも
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、熱発生率の変化状態が第１図（ａｌ
に示したように単純化されるのである。そのため、本実
施例ではフーリエ級数形のローパスフィルタ１２が用い
られている。

このタイプのフィルタは実時間性（応答性）が高いため
に車載用として適しているが、直接ＦＦＴ法やスプライ
ン関数法を用いたタイプを用いてもよい。

引き続き、第１図（ｂｌに示すように、ＥＣＵここで、
燃焼行程（上死点〜上死点ｔ＆５０°）９内の立下り時
間演算手段１４により、予め検出された、熱発生率が最
大値を示すクランク角θ、。。と燃焼完了のクランク角
θ。とに基づいて立下り時間１θ、。。−〇。１を演算
する。

次に、このようにして、算出された立下り時間１θ１゜
。−θ。１をＥＣＵ９内の判別手段１５が例えば絶対設
定値と比較して異常燃焼か否かを判別し、その判定信号
を各種燃焼制御手段へ出力する。そして、例えば算出さ
れた立下り時間１θ１゜。−〇。１が、絶対設定値より
大きくてノッキングを生じる可能性がない状態の時は徐
々に点火時期を進めて最大トルクを引き出す運転制御が
継続され、反対に、絶対設定値より小さくてノッキング
を起こしているか又はノッキングを起こしやすい状態の
時は各種燃焼制御手段ヘノッキング回避信号が送られる
。この各種燃焼制御手段として、電子点火時期制御装置
が使用される場合には、上記信号により点火時期を遅角
させることによりノッキングを回避する。また、ＥＧＲ
装置の電子制＠ＥＧＲバルブが使用される場合には平均
開弁時間（デユーティ比）を増大してＥＧＲ量を増量さ
せ、さらに、過給機付エンジンでウェストゲートバルブ
が使用されている場合にはこれを開いて過給圧を逃がす
ようにしてもよい。

なお、算出された立下り時間１θ１゜。−〇。１に基づ
く燃焼状態の判定方法としては、上述した絶対設定値と
の比較の他に、熱発生率の最大値に対する比や燃焼状態
の安定した熱発生率の立上り領域でのあるクランク角θ
　からあるクランク角θ８□までの時間１０ＭＬ−θＮ
２１に対する比で判定しても良い。また、熱発生率の最
大値や燃焼状態の安定した領域での基準時間１θＮ！−
θＮ２１は、複数のデータを処理して求めた平均値とし
ても良い。さらに、上記比率の判定レベルは運転条件に
よって変る、マツプ化された値でも良い。

鰻１夾皇１ 第２図（ａＬ　（ｂ）には本発明の第２実施例を示す。

これは、熱発生率の最大値直後と燃焼完了直前との比較
的熱発生率の変化が少ない部分をカットオフして、例え
ば熱発生率の最大値の９０％の熱発生率を示すクランク
角θ、。から最大値の１０％の熱発生率を示すクランク
角θ、。までを検出領域として設定し、その立下り時間
１θ９゜−θ、。１を検出して、測定精度の向上を図っ
た例である。

これによれば、立下り時間１θ９゜−θ１゜１演算手段
１４Ａにおいて、熱発生率の最大値とその時のクランク
角θ１゜。とを検出することに加えて、熱発生率の最大
値の９０％の熱発生率の値と１０％の熱発生率の値とを
算出するとともにその時の各クランク角θ９゜、θ１ｏ
を検出して、熱発生率の最大値を示すクランク角θ　以
後の上記立下り時間１θ、。−６１゜１を演算する。そ
の他の構成及び作用は第１実施例と同様である。

洟１虹例 第３図（ａ）、（ｂｌには本発明の第３の実施例を示す
。

これは、第２実施例と同様の見地から、熱発生率の立下
り方の傾向をより顕著に出すために、立下り領域後半の
時間、例えば熱発生率の最大値の５０％の熱発生率を示
すクランク角θ５゜から燃焼完了のクランク角θ。まで
を検出領域として設定し、その立下り時間１θ６゜−〇
。１を検出するようにした例である。

これによれば、立下り時間（θ５゜−θ。１演算手段１
４Ｂにおいて、熱発生率の最大値とその時のクランク角
θ１゜。とを検出することに加えて、熱発生率の最大値
の５０％の熱発生率の値を算出するとともにその時のク
ランク角θ、。と燃焼完了のクランク角θ。とを検出し
て、熱発生率の最大値を示すクランク角θ、。。以後の
上記立下り時間１θ、。−θ。１を演算する。その他の
構成及び作用は第１実施例と同様である。

夏１」Ｌ１週 第４図（ａｌ、（ｂ）には本発明の第４実施例を示す。

これは、第３実施例（とおける熱発生率の立下り方の傾
向をさらに顕著に出すために、燃焼完了付近をカットオ
フして、例えば熱発生率の最大値の５０％の熱発生率を
示すクランク角θｓｏから熱発生率の最大値の１０％の
熱発生率を示すクランク角θ１゜までを検出領域として
設定し、その立下り時間１θ５゜−〇、。ｌｌｅ検出す
るようにした例である。

これによれば、立下り時間１θ５゜−θ、。１演算手段
１４Ｃにおいて、熱発生率の最大値とその時のクランク
角θ１゜。とを検出することに加えて、熱発生率の最大
値の５０％の熱発生率の値と１０％の熱発生率の値とを
算出するとともにその時の各クランク角θ、。、θ１゜
を検出して、熱発生率の最大値を示すクランク角θ、。

。以後の上記立下り時間１θ５゜−θ１゜１を演算する
。その他の構成及び作用は第１の実施例と同様である。

１１叉適１ 第５図（ａｌ　、　（ｂ）　、　（Ｃ）には本発明の第
５実施例を示す。

これは、熱発生率の立下り領域における負の最大傾き量
を、熱発生率の変化率（ｄ”Ｑ／ｄθ２）により検出し
て、この検出値を前述したように絶対設定値と比較する
などして判定するようにした例である。なお、本実施例
では上記検出値の判定を熱発生率変化率の正の最大値に
対する比でも行うことができる。

具体的には、ＥＣＵＱ内に設けられた熱発生率変化率演
算手段１６によって、先ず熱発生率の変化率（ｄ２Ｑ／
　ｄθ２）を筒内圧の２断機分で近似して求めろ（第５
図（ｂｌ参照）。

即ち、前述した（４）式より熱発生率の変化率は以下の
通りとなる。

ところで、燃焼行程（上死点〜上死点後５０°）ｄＶ　
　　　ｄＰ ではｄ＆　（ｄ＃であるから、上式は次のように近似で
きる。

すなわち、熱発生率は燃焼物理量たる筒内圧の１断機分
値で近似できるのである。したがって、熱発生率自体で
はなく筒内圧の変化率を演算するようにして、リアルタ
イム制御に要求される演算制御の迅速性を確保するよう
にしても良い。

筒内圧の２断機分を求める装置及び手段は第７図に示す
通りである。

即ち、十分に短いサンプリング周期を用いて筒内圧セン
サ４より１回時にサンプリングされた筒内圧Ｐｉを検出
すると共にクランク角センサ６によりクランク角θを検
出する。

次いで、筒内圧１断機分演算手段１８がメモリ１７から
ｉ回時の１回前のサンプリングの際の筒内圧Ｐｌ−１を
読み出し、Ｐｌ−１とｉ回時の筒内圧Ｐｉの両者から、
単位角度当りの変化率を演算してｄ　Ｐ　ｉ　／　ｄθ
とする。そして、１回時の筒内圧Ｐｉおよびその変化率
ｄ　Ｐ　ｉ　／　ｄθをメモリ１７に記憶させる。この
後、筒内圧２断機分演算手段１９がメモリ１７から１回
前のｄＰ、、／ｄθを読み出し、ｄ　Ｐ、−、／　ｄθ
と１回時のｄ　Ｐ　ｉ　／　ｄθの両者から、単位角度
当りの変化率を演算してｄ２Ｐｉ／ｄθ２とする。ｄ２
Ｐ　ｉ／ｄ♂はメモリ１７に記憶される。

このようにして求めた筒内圧の２断機分値により熱発生
率の変化率を近似すると簡便となるが、前述した（５）
式により厳密に求めるようにしても良い。

そして、熱発生率の最大値とその時のクランク角θ１゜
。とを検出するとともに燃焼完了のクランク角θ。を検
出した後、熱発生率の立下り領域内で熱発生率変化率の
最小値を検出する。その他の構成及び作用は第１実施例
と同様である。

なお、上記実施例にて、熱発生率変化率演算手段１６に
おいて、上述した熱発生率の立下り領域内の熱発生率変
化率のみを演算すれば、演算時間を短縮できて好適であ
る。この場合、熱発生率変化率の最小値を検出領域から
外れている熱発生率変化率の最大値と比較できないこと
は言う迄もない。

乳ｌ叉差旦 第６図（ａｌ　、　（ｂ）　、　（ｃ）には本発明の第
６実施例を示す。

これは、第５実施例における変形例をさらに発展させた
もので、熱発生率変化率の検出領域を熱発生率の立下り
領域の後半に短縮して演算速度を高めた例である。

これによれば、熱発生率変化率演算手段１６Ａにおいて
、熱発生率の最大値とその時のクランク角θ１゜。とを
検出することに加えて、熱発生率の最大値の５０％（又
は乙の近ｆＲ）の熱発生率の値を算出するとともに、熱
発生率の最大値を示すクランク角θ１゜。以後における
熱発生率の最大値の５０％の熱発生率を示すクランク角
θ５゜と燃焼完了を示すクランク角θ。

とを検出する。次いで、熱発生率の立下り領域の後半の
検出領域内の熱発生率変化率を演算してその最小値を検
出する。その他の構成及び作用は第１実施例と同様であ
る。

尚、これまで時間を１θ、−〇。１の期間として論じて
きたが絶対時間（ｍｓ　、　ｅｔｃ　）を用いて判定し
てもよい。いずれの場合も判定値は回転数等条件ごとに
変えろことが望ましい。

また、上述の実施例では熱発生率あるいは筒内圧を用い
て燃焼状態を判定するようにしたが、前述したように輝
線スペクｊ・ルなと他の燃焼物理量を用いて判定するよ
うにしてもよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明の火花点火内燃機関のノッ
キング防止袋Ｍ（こよれば、熱発生率あるいは熱発生率
と相関関係にある物理量を用いて燃焼状態を判定してノ
ッキングを防止するようにしたので、従来例に見られた
ような機関の燃焼を機械的な振動に置き換える作業やノ
イズの侵入などがなく、迅速かつ正確にノッキングが防
止できる。特に、本発明によれば、ノッキング寸前の燃
焼状態にあるか否かを判別することができるため、ノッ
キング回避手段との組合せにより、ノッキングの発生を
未然に回避することができる。また、実施例では気筒毎
に筒内圧センサを設けたため、制御の精度が向上した。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による火花点火内燃機関のノッキング制
御装置の第１の実施例に係り、同図（ａｌはクランク角
と熱発生率との関係を示すグラフ、同図ｆｂｌはブロッ
ク図、同図（Ｃ）はフローチャートである。第２図、第
３図、第４図はそれぞれ本発明の第２．第３．第４の実
施例（こ係り、それぞれ各図（ａｌはクランク角と熱発
生率との関係を示すグラフ、それぞれ各図（ｂ）はブロ
ック図である。さらに、第５図、第６図は本発明の第５
、第６の実施例にかかり、それぞれ各図（ａｌはクラン
ク角と熱発生率との関係を示すグラフ、それぞれ各図（
ｂ）はクランク角と熱発生率の変化率との関係を示すグ
ラフ、それぞれ各図（ｃ）はブロック図である。第７図
（ａ）は筒内圧の２断機分値を得るためのブロック図、
同図（ｂｌはその手順を示すフローチャートである。そ
して、第８図は上記実施例における制御システムのハー
ドウェアを示す簡略図である。 図　　　　　中、 ｌはエンジン、 ４は筒内圧センサ、 ６はクランク角センサ、 ９はＥＣＵ。 １０はチャージアンプ、 １１はマルチプレクサ、 １２はローパスフィルタ、 １３は熱発生率演算手段、 １４は立下がり時間演算手段、 １５は判別手段、 １６は熱発生率変化率演算手段、 １７はメモリ、 ８は筒内圧１断機分演算手段、 ９は筒内圧２断機分演算手段である。 特 許 出 願 人 三菱自動車工業株式会社 代 理 人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼にともなって
   変化する燃焼物理量を検出する燃焼物理量検出手段と、 この燃焼物理量検出手段からの検出信号に 基づいて熱発生率の変化状況を演算する演算手段と、 当該火花点火内燃機関における熱発生率の 変化状況を記憶した記憶手段と、 この記憶手段に記憶された熱発生率の変化 状況と前記演算手段によって求められた熱発生率の変化
   状況とを比較することにより当該火花点火内燃機関の燃
   焼状態を判定し、ノッキング状態を回避すべく、燃焼制
   御を行う燃焼制御手段と、 を具えたことを特徴とする火花点火内燃機関のノッキン
   グ制御装置。
2. （２）火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼にともなって
   変化する燃焼物理量を検出する燃焼物理量検出手段と、 この燃焼物理量検出手段からの検出信号に 基づいて熱発生率と相関関係にある物理量の変化状況を
   演算する演算手段と、 当該火花点火内燃機関における前記物理量 の変化状況を記憶した記憶手段と、 この記憶手段に記憶された物理量の変化状 況と前記演算手段によって求められた物理量の変化状況
   とを比較することにより当該火花点火内燃機関の燃焼状
   態を判定し、ノッキング状態を回避すべく、燃焼制御を
   行う燃焼制御手段と、 を具えたことを特徴とする火花点火内燃機関のノッキン
   グ制御装置。