JPH0759934B2

JPH0759934B2 - ノツク制御装置

Info

Publication number: JPH0759934B2
Application number: JP62096123A
Authority: JP
Inventors: 利治野木; 弘黒岩; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-04-21
Filing date: 1987-04-21
Publication date: 1995-06-28
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPS63263268A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明はノツク制御装置、特に燃焼室の温度変化から検
出したノツクに応じて点火時期を修正して、最適な内燃
機関出力を得るノツク制御装置に関するものである。

＜従来の技術＞一般に内燃機関（以下エンジンと略称する）において
は、ノツクが全然発生しない状態よりは、軽度のノツク
（以下トレースノツクと略称する）が発生した状態の方
が、大きな出力が得られることが知られている。

第16図は、エンジンにおける圧縮比と出力及び圧縮比と
点火時期の関係をそれぞれ示すもので、図中ａはノツク
が発生している状態、ｂはノツクが発生していない状
態、ｃはトレースノツクが発生している状態を示す。

第16図から明らかなように、トレースノツクが発生して
いる状態で最大の出力が得られ、トレースノツクが発生
している状態に比して、ノツク発生状態では点火時期が
進んでおり、ノツクが発生しない状態では点火時期が遅
れている。

このことから、ノツク発生状態を検出して点火時期を遅
らせ、ノツクが発生しない状態では点火時期を進めてエ
ンジンを最適出力状態に制御することが行なわれてい
る。

このためにはエンジンのノツク強度を検出することが必
要であり、エンジンのシリンダブロツクに圧電素子を取
り付けて、ノツク発生時の振動加速度からノツクを検出
する方式が採用されていた。

しかし、前述の圧電素子による方式では、エンジンの回
転速度が4000rpm以上になると、ノツク発生以外の原因
で生ずるエンジンの振動と、ノツク発生による信号とが
重畳してしまい、両者の判別が不可能となる。

これに対して、特開昭57−108734号公報において、エン
ジンの燃焼室内の燃焼時における光強度の変化からノツ
クを検出する方式が提案されている。

前述の特開昭57−108734号公報で提案されている方式
は、振動加速度を検出するものでないので、圧電素子を
用いる場合のようにエンジンの高回転速度で誤検出を行
なうことはない。

＜発明が解決しようとする問題点＞前述のように、特開昭57−108734号公報で提案されてい
る方式によると、エンジンの高回転速度での誤検出なし
に、ノツクを検出することが可能となる。

しかし、前述の提案に係る方式ではエンジンの燃焼室内
に発生する煤などにより、検出面が汚れるために長時間
の運転に際しては検出出力が低下してしまうという難点
があつた。

本発明は前述せるようなこの種のノツク制御装置の現状
に鑑みてなされたものであり、その目的はエンジンの高
回転速度域での検出誤差も検出面の汚れによる検出出力
の低下もなく、安定に精度よくノツクを検出して点火時
期の修正を行なうことが出来るノツク制御装置を提供す
ることにある。

＜問題点を解決するための手段＞前述せる目的を達成するために、本発明では内燃機関の
燃焼室内に配され、ノツク発生時の前記燃焼室内の温度
変化を検出する検出器と、該検出器の検出信号を前記燃
焼室外に取り出す光伝送素子と、該光伝送素子により取
り出された前記検出信号から、前記ノツク強度に対応し
た出力信号を取り出す整形回路と、該整形回路の出力信
号に基づいて前記燃焼室での点火時期を修正する点火時
期修正手段と前記整形回路が、入力された信号を線型化
する線型処理部と、あらかじめ設定した周波数以上の帯
域に通過帯域を有し、線型処理された前記線型処理部の
出力信号からノック成分のみを取り出すハイパスフィル
タとを備えていることを特徴とする。

＜作用＞本発明では、内燃機関の燃焼室内に配された検出器が、
ノツク発生時の燃焼室内の温度変化を検出し、この検出
信号が光伝送素子によつて燃焼室外に取り出される。こ
のようにして、光伝送素子によつて燃焼室外に取り出さ
れた検出信号から、整形回路の線型処理部で前記検出信
号（検出電圧）を線型処理し、線型処理された信号をさ
らにハイパスフィルタによってあらかじめ設定した帯域
以上の帯域のもののみ通過させてノック信号のみが抽出
される。

次いで、このようにして得られた整形回路の出力信号に
基づいて、点火時期修正手段によつて燃焼室での点火時
期が修正される。

このようにして、本発明によると振動による検出誤差も
検出面の汚れによる出力低下もなく検出したノツクに基
づいて、常にトレースノツク状態に近づく点火時期の修
正が行なわれる。

＜実施例＞以下本発明の実施例を、第１図乃至第15図を用いて詳細
に説明する。

ここで、第１図は本発明の実施例の構成を示すブロツク
図、第２図（ａ）は検出器の縦断面図、第２図（ｂ）は
（ａ）のＮ−Ｎ断面図、第３図は本発明の実施例の構成
を示す詳細ブロツク図、第４図（ａ），（ｂ）は検出器
のエンジンに対する取付状態を示す断面図である。

先ず、前述の第１図乃至第４図を用いて、本発明の実施
例の構成を説明する。

第１図に示すように、エンジンの燃焼室１内にノツク発
生時の燃焼室１内の温度変化を検出する検出器２が配さ
れ、この検出器２の検出信号が光伝送素子３によつてバ
ンドパスフイルタ４に入力されるような構成となつてい
る。また、バンドパスフイルタ４の出力端子は、受光素
子５の入力端子に接続され、この受光素子５の出力端子
は整形回路６の入力端子に接続され、整形回路６の出力
端子が点火時期修正手段７の入力端子に接続されてい
る。

前述せる検出器２は第２図（ａ），（ｂ）に示すよう
に、燃焼室１内の温度300〜1500℃に対して耐熱性を有
する直径1mm程度の石英製の光伝送素子３の先端に、線
膨脹係数が石英に近いイリジウム製の黒体８が取り付け
られた構成となつている。

この場合、分光放射エネルギの受光面を大とするため
に、光伝送素子３の先端は斜めに切断され、この切断面
を含んで光伝送素子３の先端部を被つて、厚み２〜５μ
ｍのイリジウム製の黒体８が取り付けられる。さらに、
黒体８の光伝送素子３からの剥離を防止し、さらに黒体
８の酸化及び腐食による劣化を防止するために、黒体８
上が石英カバー10で被われる。

エンジンの燃焼室１内の温度は、数KHzの周期で変動
し、燃焼室１内の圧力は急激に変化するが、光伝送素子
３として石英を用い黒体８としてイリジウムを用いる
と、両者は接合性がよくまた、線膨脹係数が近いので熱
応答性がよく且つ強固な構造が実現されている。

前述の検出器２と光伝送素子３部分については、黒体８
として、白金，窒化ジルコニウム，黒鉛を用い、さらに
高温度の測定が必要な場合には光伝送素子３としてサフ
アイアを使用することも出来る。

また、検出器２と光伝送素子３部分は、検出器２をエン
ジンの燃焼室１内に位置させて、燃焼室１の周壁15の上
方位置にねじ込みにより固定されている。

即ち、第４図（ａ），（ｂ）に示すように、光伝送素子
３の外周に溶着ガラス16によつて金属管11が固着され、
この金属管11の外周にはねじが該設されている。また、
燃焼室１の周壁15には、金属管11が螺合されるねじ孔が
形成され、検出器２と光伝送素子３部分は、金属管11に
よつて周壁15に対して螺合固定されている。

このようにして、エンジンの燃焼室１の周壁15に固定さ
れた金属管11の突出端部には、接続具13が螺合固定さ
れ、この接続具13には光フアイバ20との接続コネクタ14
が収容されている。このため、金属管11の突出端部に接
続具13を接続すると、光伝送素子３が光フアイバ20と光
学的に接続されるように構成されている。

前述せるように光伝送素子３の外周を、溶着ガラス16を
介して金属管11で被うことにより、エンジンの燃焼室１
内の圧力の外部への漏れが防止された構成となつてい
る。

次に、第５図乃至第９図を用いて本発明の実施例の各部
について、その構成をより詳細に説明する。

ここで、第５図は温度をパラメータとした黒体の分光放
射エネルギと波長との関係を示す図、第６図（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、本発明の実施例の受光素子のそれぞ
れ回路図、入力波形図及び出力波形図、第７図は本発明
の実施例の受光素子の負荷抵抗と応答時間との関係を示
す図、第８図は本発明の実施例の受光素子の波長と相対
感度との関係を示す図、第９図は本発明の実施例の受光
素子の放射照度と光電源との関係を示す図である。

一般に黒体は、それぞれ温度に対応して第５図に示すよ
うな放射エネルギを発生する。従つて、或る波長に対し
て放射エネルギを測定すると、温度が求められる。

実施例におけるエンジンの燃焼室内の燃焼温度は、1000
〜2500℃であるので、この範囲の温度が検出可能なよう
に、第１図及び第３図においてバンドパスフイルタ４と
しては、0.6〜0.7μｍの波長に通過域を有するバンドパ
スフイルタが使用されている。

実施例においては、第６図（ａ）に示すような回路構成
のSiフオトトランジスタが受光素子５として使用され、
フオトトランジスタの出力段のエミツタとアース間に負
荷抵抗21が接続され、フオトトランジスタのコレクタと
アース間には、バイアス電圧Vccが印加されている。

第８図は実施例において受光素子５として使用されるSi
フオトトランジスタの特性であり、500nm〜1200nmの波
長領域の光を検出することが可能となつている。

このように受光素子５としてSiフオトトランジスタを使
用した場合において、例えばノツク発生時において燃焼
温度が1000〜2000℃の範囲で変化すると、第５図から放
射エネルギは５×10^-1〜10W/cm²の範囲で変化するの
で、第９図からコレクタ電流Icは１×10^-1〜2mAの範囲
で変化するようになつている。

前述せるようにして発生するコレクタ電流Icを電圧に変
換するために、第６図（ａ）の負荷抵抗21として実施例
では、0.1KΩのものが接続されている。

前述のように受光素子５としてSiフオトトランジスタを
用いた場合に、第６図（ｂ）に示す入力信号に対して出
力信号は、第６図（ｃ）に示すような波長となる。そし
て、第６図（ｃ）の応答時間t_rと負荷抵抗21との間に
は、第７図に示すような関係が認められる。

また、ノツク検出に際しては10KHz程度の温度変動を検
出する必要があるので、前述のように負荷抵抗値が0.1K
Ωに選択されている。

すでに述べた第３図に示すように、受光素子５の出力端
子は信号増幅部6aの入力端子に接続され、信号増幅部6a
の出力端子は線型処理部6bの入力端子に接続され、線型
処理部6bの出力端子はハイパスフイルタ6cの入力端子に
接続され、このハイパスフイルタ6cの出力端子が、点火
時期修正手段７の入力端子に接続されている。

以上に述べたような構成を有する本発明の実施例の動作
について、主として第10図乃至第15図を用いて以下に説
明する。

ここで、第10図はノツク信号及び気筒判別信号を示す信
号波形図、第11図（ａ）乃至（ｆ）は実施例におけるノ
ツク信号の各段階での信号波形図、第12図（ａ），
（ｂ），（ｃ）は、それぞれ実施例においてエンジンの
各気筒から得られる検出信号の波形図、光伝送素子で取
り出されたノツク信号波形図、及び整形回路で得られる
ノツク信号波形図、第13図は本発明の実施例の動作を示
すフローチヤート、第14図（ａ），（ｂ）は、ノツクレ
ベルと累積頻度分布との関係曲線上でのノツク判定位置
の設定法を示す図、第15図（ａ）乃至（ｄ）はそれぞ
れ、圧電素子により検出されたノツク波形図、本発明の
検出器により検出されたノツク波形図、圧電素子により
検出されたノツク波形の高周波成分の波形図、本発明の
検出器により検出されたノツク波形の高周波成分の波形
図である。

エンジンからは第10図（ａ），（ｂ）に示すような気筒
判別信号と、第10図（ｃ）に示すようなノツクが発せら
れている。このような第12図（ａ）で各気筒に対応し
て、W₁〜W₄で示すノツクの分光放射エネルギに対応する
温度変化が、第３図の検出器２で検出され、光伝送素子
３によりエンジンの燃焼室外に、第12図（ｂ）に示すよ
うな時系列光信号として取り出され、接続具13を介して
光フアイバ20により、バンドパスフイルタ４に入力され
る。

このバンドパスフイルタ４は、0.6〜0.7μｍの波長に通
過域を有し、燃焼室１内の燃焼温度1000〜2500℃に対応
する波長の光信号Q_Cが、バンドパスフイルタ４を通過し
て受光素子５に供給される。

この受光素子５は、前述せるようにSiフオトトランジス
タで構成され、第11図（ａ）に示すような前述の光信号
によつて、同図（ｂ）に示すようなコレクタ電流が流
れ、同図（ｃ）に示すような出力電圧信号が得られる。
この出力電圧信号V_Cが、信号増幅部6aで増幅されて、第
11図（ｄ）に示すような出力電圧信号V_Aとなり、さらに
線型処理部6bで線型化されて同図（ｅ）に示すような出
力電圧信号V_Lとなり、この出力電圧信号V_Lが4KHz以上に
通過帯域を有するハイパスフイルタ6cに入力として与え
られる。

ハイパスフイルタ6cでは、出力電圧信号V_Lからノツク成
分のみを取り出し、ハイパスフイルタ6cからは第11図
（ｆ）に示すようなノツク信号V_Sが、点火時期修正手段
７に入力される。

このようにして、本発明の実施例によると、信号増幅部
6a、線型処理部6b及びハイパスフイルタ6cが直列に接続
されて構成される整形回路６の出力端子には、第15図
（ｄ）に示すようなノツク信号V_Sが得られる。これは、
同図（ｃ）に示される電圧素子でノツクを検出し、本願
と同一の過程で整形して得たノツク信号が、ノツク以外
の原因で生ずる振動に埋れて判別出来ないのと、対照的
である。なお、第15図の測定はエンジンの回転数6000rp
mで行つたものである。

前述のようにして、整形回路６の出力端子に得られたノ
ツク信号V_Sにより、点火時期修正手段７において、エン
ジンの点火時期の修正が行なわれる。

第14図（ａ），（ｂ）は、それぞれノツクのない状態
Ｓ、トレースノツクの状態Ｔ及びノツクの発生状態Ｕに
対して、第10図（ｃ）に示すバンドパスフイルタ４通過
後の光信号をAD変換して得たＳ値の異積頻度分布を1024
点火分について統計処理した曲線である。

この曲線を使用して、エンジンに対する点火時期の修正
は次のようにして行なわれる。

第13図のフローチヤートのステツプ（１）において、エ
ンジンの回転数Ｎと基本噴射パルス幅、が取り込まれ、ステツプ（２）においてステツプ（１）
で取り込まれた値に基づいてマツプから最適点火時期θ
_０が読み出される。

次いで、ステツプ（３）でエンジンの回転数Ｎが4000rp
m以下であるか否かの判定が行なわれ、4000rpm以下であ
ると、ステツプ（５）に進む。

ステツプ（５）では、トレースノツク時にセンサ信号が
スライスレベルを10％越える位置に、第14図（ａ）に示
すようにS/L値が設定される。

また、ステツプ（３）でエンジンの回転数Ｎが4000rpm
より大きいと判定されると、ステツプ（４）に進む。ス
テツプ（４）では、このような高速度回転時にはトレー
スノツクより大きいＳ値が続くと危険なので、トレース
ノツク時にセンサ信号がスライスレベルを２％越える位
置に、第14図（ｂ）に示すようにS/L値が設定される。

前述のステツプ（４）及び（５）で設定されるS/L値
は、予め実験によつて求めておく。

次にステツプ（６）に進み、一気筒の前述せるようにし
て求めたノツク信号V_SがAD変換されてＳ値が求められ
る。ステツプ（７）において、このＳ値と前述せるよう
にして予め求めておいたS/L値とが比較される。

この比較で、エンジンの回転速度に対応して予め設定さ
れたS/L値よりもＳ値が大であると、ノツク発生状態と
判定して、点火時期の遅角制御が行なわれ、予め設定さ
れたS/L値よりもＳ値が小であると、ノツクが発生して
いない状態と判定して、点火時期の進角制御が行なわれ
るのである。

この場合、Ｓ値の分布がトレースノツク時の分布に一致
するためには、ノツク発生状態と判定されるＳ値の割合
と進角／遅角の比率とを合わせて制御する。即ち、トレ
ースノツク時にS/L値より大きなＳ値が10％発生するも
のとすれば、点火時期が安定に制御されている状態では
10点火に対して一回遅角制御が行なわれるので、進角遅
角比を1:10に設定されている。例えば、予め設定したS/
L値に対してＳ値がΔＳ変化したら、Δθ_１遅角制御
し、−ΔＳ変化したらΔθ_２進角制御し、Δθ₁/Δθ_２
は1/10に設定される。

このようにして、ステツプ（７）でＳ値が予め設定され
たS/L値に等しければ、ステツプ（８）に進んで点火時
期の修正は行なわない。ステツプ（７）でＳ値が予め設
定されたS/L値より大であると、ステツプ（９）に進ん
でΔθ_１の遅角制御角が設定され、さらにステツプ（1
1）でθ＝θ_０＋Δθ_１の遅角制御が行なわれる。

また、ステツプ（７）でＳ値が予め設定されたS/L値よ
り小であると判定されると、ステツプ（10）に進んでΔ
θ_２の進角制御角が設定され、さらにステツプ（11）で
θ＝θ_０＋Δθ_２の進角制御が行なわれる。

次にステツプ（12）に進んでｎ、T_pが同一かどうかの判
定が行なわれ、同一であると判定されるとステツプ
（６）からの動作が繰り返される。また、ステツプ（1
2）においてｎ、T_pが同一でないと判定されると、ステ
ツプ（13）においてθ→θ_０の書き換えが行なわれる。

なお、実施例においてはエンジンの回転速度が4000rpm
以下の場合は、前述の進遅角比が1:10に、またエンジン
の回転速度が4000rpm以上の場合は、前述の進遅角比が
1:50に設定されている。このようにして、Ｓ値の頻度分
布をトレースノツク時の頻度分布に一致させ、前述の第
16図で曲線ｃの状態で運転を行なつて最大の出力効率を
得ることが出来る。

このようにして、本発明の実施例によると黒体放射を利
用してエンジンの燃焼室内の温度変化を検出し、この検
出信号に基づいてノツク信号を得ているので、エンジン
の高速度回転状態でも振動誤差なしにまた、煤などによ
る検出部の汚れ誤差なしにノツク強度を精度よく検出る
ことが出来る。このようにして検出したノツク強度に基
づいて、エンジンの点火時期の修正が行なわれるので、
本発明の実施例によると、エンジンを常にトレースノツ
ク状態で作動させて最大効率の出力を得ることが可能で
ある。

さらに、本発明の実施例ではエンジンの燃焼室内の燃焼
温度の検出が可能なので、排出NO_X量の検出をも行なう
ことが出来る。

＜発明の効果＞以上詳細に説明したように、本発明によると燃焼室内の
温度変化を検出することにより、エンジンの高速度回転
時の振動誤差や検出部の汚れによる誤差を伴わずにノッ
ク成分のみを光強度の変化として取り出し、この取り出
された信号出力に基づいて、エンジンが常にトレースノ
ツク状態で作動して高効率出力が得られるように、点火
時期の修正を行なうノツク制御装置を提供することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示すブロツク図、第２
図（ａ）は本発明の実施例における検出器の縦断面図、
第２図（ｂ）は（ａ）のＮ−Ｎ断面図、第３図は本発明
の実施例の構成を示す詳細ブロツク図、第４図（ａ），
（ｂ）は本発明の実施例における検出器のエンジンに対
する取付状態を示す断面図、第５図は温度をパラメータ
とした黒体の分光放射エネルギと波長との関係を示す
図、第６図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の実施例の
受光素子の、それぞれ回路図、入力波形図及び出力波形
図、第７図は本発明の実施例の受光素子の負荷抵抗と応
答時間との関係を示す図、第８図は本発明の実施例の受
光素子の波長と相対感度との関係を示す図、第９図は本
発明の実施例の受光素子の放射照度と光電流との関係を
示す図、第10図（ａ），（ｂ），（ｃ）はノツク信号及
び気筒判別信号を示す信号波形図、第11図（ａ）乃至
（ｆ）は本発明の実施例におけるノツク信号の各段階で
の信号波形図、第12図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞ
れ、本発明の実施例におけるエンジンの各気筒から得ら
れる検出信号の波形図、光伝送素子で取り出されたノツ
ク信号波形図、及び整形回路で得られるノツク信号波形
図、第13図は本発明の実施例の動作を示すフローチヤー
ト、第14図（ａ），（ｂ）はノツクレベルと累積頻度分
布との関係曲線上でのノツク判定位置の設定法を示す
図、第15図（ａ）乃至（ｄ）はそれぞれ、圧電素子によ
り検出されたノツク波形図、本発明の検出器により検出
されたノツク波形図、圧電素子により検出されたノツク
波形の高周波成分の波形図、本発明の検出器により検出
されたノツク波形の高周波成分の波形図、第16図はエン
ジンにおける圧縮比と出力及び圧縮比と点火時期の関係
を示す図である。１……燃焼室、２……検出器、３……光伝送素子、４…
…バンドパスフイルタ、５……受光素子、６……整形回
路、6a……信号増幅部、6b……線型処理部、6c……ハイ
パスフイルタ、７……点火時期修正手段、８……黒体、
10……石英カバー、11……金属管、13……接続具、14…
…接続コネクタ、15……周壁、16……溶着ガラス、20…
…光フアイバ、21……負荷抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−250366（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−39733（ＪＰ，Ａ) 特表昭58−500180（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼室内に配され、ノック発生
時の前記燃焼室内の温度変化を検出する検出器と、該検
出器の検出信号を前記燃焼室外に取り出す光伝送素子
と、該光伝送素子により取り出された前記検出信号か
ら、ノック強度に対応した出力信号を取り出す整形回路
と、該整形回路の出力信号に基づいて前記燃焼室での点
火時期を修正する点火時期修正手段とを有するノック制
御装置において、前記整形回路が、入力された信号を線型化する線型処理
部と、あらかじめ設定した周波数以上の帯域に通過帯域
を有し、線型処理された前記線型処理部の出力信号から
ノック成分のみを取り出すハイパスフィルタとを含んで
なることを特徴とするノック制御装置。