JPS6226409B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の気筒内圧力により気筒外に
生じる振動によつてノツキングを検出して、所定
のノツキング程度に点火時期を調整する機能をも
つ内燃機関用点火時期制御装置等に用いるノツキ
ング検出器に関するものである。

ところで、点火時期と気筒内圧とは強い相関関
係があることは一般に知られるところであるが、
混合気を爆発させた場合のシリンダ内圧はノツキ
ングが生じていない時は高調波（通常5KHz〜
10KHzの周波数成分のもので、エンジンシリンダ
のボア径と燃焼時の音速によつて決められる周波
数帯域の成分で燃焼の断続急速燃焼により生じる
もの）がのらないが、ノツキングが生じだすと内
圧の最大値近傍よりこの高周波がのりだし、その
影響によつて気筒外へ振動あるいは音となつて発
生する。その気筒内に発生する内圧信号あるいは
気筒外へ発生する振動あるいは音の発生状態をよ
くみると、ノツキングの生じはじめ（トレースノ
ツク）は内圧の最大値になるエンジンクランク角
より出はじめ、除々に大きなノツキング（ライト
ノツク，ヘビーノツク）になると内圧最大値より
前側（すなわち点火側）にその高調波が大きくの
りだす。そこで、このノツキングにより気筒外に
発生する振動、音を精度よく検出し、フイードバ
ツクして点火時期を制御すれば機関の効率が大幅
に向上することになるが、フイードバツク要因で
あるノツキング状態を精度よく検出し、しかも車
両に要求される厳しい環境条件下で安定に作動し
うる検出器がないのが現状である。

従来この種検出用として、機関に発生するノツ
キング振動を圧電素子型加速度検出器を流用して
検出せんとするものがある。しかし、この検出器
は内燃機関用ノツキング検出器の特性として次の
要件を満す必要があるのに対し不備な点が多い。

(1) 内燃機関のノツキングは前述のごとく点火時
期を進めるほど大きくなるので、点火時期制御
用としてのノツキング制御レベルはトレースノ
ツクレベル以下が必要であり、高精度、安定な
検出特性が必要不可欠である。これに対し、圧
電素子は本質的に高インピーダンスになつてお
り、湿度、汚れにより特性が影響されやすく、
トレースノツクの微少な信号を安定に出力する
ことができにくい（ドリフトや振幅変動が大き
い）。又、素子の圧電特性は分極により与えら
れるが、使用条件が高温から低温までサイクリ
ツクに変る厳しいものであるため、この分極が
除々に失われやすく、感度が低下する。感度の
低下はノツキング制御レベルの上昇となるため
時として、ノツクによる機関の破損の要因とな
る。

(2) 検出器は安価に構成されるのが望ましい。し
かし圧電素子は高インピーダンスであり、この
信号の増幅に当つてチヤージアンプと呼ばれる
高インピーダンス入力式の高価な増幅器を使用
する必要が生じる。又、高インピーダンス型の
増幅器は内燃機関の点火信号によるノイズ等の
影響を受け誤動作しやすくなるので、対策上
増々、高価複雑な構成を必要とする。

(3) 圧電素子は耐衝撃性が弱く、割れ、欠けなど
が出やすい上に、高温使用に当り冷却等の手段
も必要となるなど、耐久性、価格等いずれも車
載用検出器として問題が多い。

そこで本発明は上記の点に鑑み、磁性体製のリ
ード片とエアギヤツプを有する磁路と、励磁手段
及び磁束検出手段とで検出器を構成し、前記リー
ド片の共振周波数をノツキング高周波に合わせる
ことが容易で、ノツキング周波数に対する検出器
の感度を飛躍的に高感度にすることができるとと
もに、機関本体より必然に生じる振動ノイズ（例
えばバルブ着座振動）の検出感度を相対的に落し
てＳ／Ｎ比を向上させ微少なノツクレベルの検出
を可能にし、かつ磁気的な作動であることからそ
の構成部品としてコイル，マグネツト等の耐環境
性に優れたものが使用でき、車両の過酷な使用条
件に十分耐え、特性の劣化等の生じることなく、
安定に作動し、また素子の割れ、欠けが生じるこ
とはなく機械的な強度も十分であり、信号の検出
はコイル、磁気抵抗素子等の磁性を感知するもの
でよく、圧電素子の高インピーダンスとは全く逆
の低インピーダンス検出手段であり、従つて、湿
度等の影響はほとんどなく、点火ノイズ等電気的
なノイズに対し優れた安定性を示し、構造的にも
簡単であり、材質も安価量産性のよいものである
など性能、価格、重量いずれも、高性能、安価、
軽量になるという優れたノツキング検出器を提供
することを目的とするものである。

以下本発明を図に示す実施例について説明す
る。第１図は本発明になるノツキング検出器を用
いたノツクフイードバツク点火システムの構成図
である。図中１は４気筒列型内燃機関であり、機
関１のシリンダブロツク部にノツキング検出器２
がねじ等の手段で装着してある。３はノツキング
検出器２の出力信号から機関のノツキングを検出
するノツキング検出回路、４は検出回路３の出力
に応じて点火時期を進遅角させて最適位置に制御
する点火時期制御装置である。この制御装置４の
出力信号は公知の点火装置５を介して、機関１に
装着した点火プラグにより混合気に着火する。こ
のシステムに用いたノツキング検出回路３は図示
しない点火信号を検出して、点火直後のノツキン
グの発生しない所定時間又はクランク角度におい
て機関振動によるノイズ成分を、前記検出器２の
出力を用いてサンプリングし、これとノツキング
の発生しやすい上死点TDC後（指圧のピーク
後）の所定時間あるいは所定角度センサの出力と
の比（積分値即ち平均化した値を用いることもあ
る）をとつてノツキングの有無を検出している。
あるいはノツキングの有無を単に１個の信号によ
らず確率的に処理する場合もある。例えば100回
の点火に対し何％のノツキングが生じたかによつ
てノツキング有無を判定する）。点火時期制御回
路ではこのノツキングの有無に従つて点火時期を
進値角させる。これらノツキング検出回路３およ
び点火時期制御装置４の詳細構成については公知
であるため説明を省略するが、ノツキングを検出
して点火時期を制御するものであればいずれの方
式にても本検出器が使用可能なことは明らかであ
る。

次に、ノツキング検出器について詳述する。第
２図に示す第１実施例において、２１はノツキン
グ周波数５〜10KHzに共振する共振点を持つ磁性
体（例えば鉄あるいは鉄―ニツケル合金）製のリ
ード片、２２は磁力を有するマグネツト、２３は
リード片２１とマグネツト２２とから磁路を形性
する鉄、鉄―ニツケル合金、フエライト等の材質
を持つＬ字状のコアである。この磁路にはリード
片２１、コア２３間にエアギヤツプＧが設けてあ
る。従つて、リード片２１が振動するとギヤツプ
Ｇが変化し磁路の磁気抵抗が変化する。２４はこ
の磁束が変化するのを検出するコイルである。コ
イルボビンはコア２３がその中心を通る様穴があ
けてあり、コイル用の導体はこのボビン外周に巻
回する。又、コイル２４とコア２３とはその相対
的な位置の変化による鎖交磁束数の変化を防止す
る為、接着等の手段でボビンがコア２３に固着し
てある。２５は下部に機関のシリンダブロツクに
検出器を取りつけるねじ部２５ａを有し、上部に
コア２３を取付ける支持部２５ｂ，２５ｃを持つ
鉄、しんちゆう等のハウジングである。２６は前
述の磁路を形成する各部品のおさえ棒であり、絶
縁板２７，２９、コイル出力端子２４ａ，２４ｂ
を取付けるラグ板２８、ワツシヤ２１０ととも
に、リード片２１の一端、マグネツト２２、およ
びコア２３がビス２１１によりハウジング２５の
支持部２５ｂに強固に固定される。コイル出力端
子２４ａ，２４ｂはラグ板２８に半田付けやかし
めで固定された後、リード線２１２によつて外部
に出力される。２１３はハウジング２５にゴム等
のシール材２１４を挾んでかしめにより取つける
カバーであり、２１３ａはリード線２１２を取り
出す穴である。２１５はリード線２１２を通すゴ
ムブツシユである。そして、この検出器２はシリ
ンダブロツクと一体になつて振動する様にねじ部
２５ａによつてシリンダブロツクに強固に取りつ
ける。

次に、検出器の作動を説明する。前述したごと
く、検出器２はシリンダブロツクにねじ部２５ａ
により締めつけて取付ける。シリンダブロツクに
生じたノツキングの振動はハウジング２５を介し
てリード片２１に伝えられる。リード片２１は一
端のみが固定されているためこの振動の周波数、
強さに応じてリード片自体の固有振動も加えて振
動するが、この時コア２３、コイル２４、マグネ
ツト２２はハウジング２５と一体になつて振動す
べく強固に作られるから、リード片２１のみが磁
路中において相対的にノツク振動に対応して振動
し、エアギヤツプＧの距離がノツキングに応じて
変化する。ここで、コア２３、リード片２１には
マグネツト２２により、あらかじめ所定の磁束が
通る様設計してあり、エアギヤツプＧの変化は磁
路内の磁束数変化となる。コイル２４はこの磁束
の変化、即ちノツキングによる振動を電圧として
検出する。検出した電圧信号はリード線２１２を
介してノツキング検出回路３へ出力される。とこ
ろで、リード片２１はノツキング周波数（７〜
10KHz）に対し、通常8KHz近辺に共振点を持た
せて設計しており、この周波数帯において特にノ
ツク検出感度が高くなり、他周波数帯の信号の感
度が悪いことから、Ｓ／Ｎ比が向上する。

第３図はこの共振点について本検出器を用いて
実測した特性図であり、加振器に本検出器を取り
つけ、リード片２１の長さｌを変えて共振周波数
を測定したものであり、実線はｌ＝８mm、破線は
ｌ＝６mmのときの特性を示すものである。図中コ
イル出力電圧比というのは単位加速度当りの検出
器出力を求めたものである。この出力特性からも
本検出器のノツキング周波数に対する感度がよ
く、かつＳ／Ｎ比のよいことが容易に理解でき
る。即ち、０〜20KHzの範囲で特定の周波数に対
し出力が大きくなる（共振点を持つ）ということ
は、逆にこの周波数以外のノイズ等に対し、感度
が悪く、誤動作がなくなるということであり、ま
た、このノツク周波数帯には他のノイズ成分はで
にくい。また、本検出器はエアギヤツプＧ間にマ
グネツト２２の磁力が作用しており、この吸引力
によりリード片２１は一方向に引かれることから
ダンパ特性を有する振動特性も合せ持つ。このこ
とは、ノツキングが終了する（前述の如くノツキ
ングは特定のクランク角度で発生する）と直ち
に、リード片２１が振動を停止する方向に作用
し、ノツキングの生じている領域のみで検出器２
に出力が発生する効果もある。このダンパ特性は
磁力を強めるほどその効果は大きくなる。

第４図は同一共振周波数を持つリード片を、対
向する位置に２個持つ様構成したノツキング検出
器の第２実施例を示す模式構成図である。ノツキ
ング検出器の出力はＳ／Ｎ比がよいとともに出力
電圧が大きいのが望ましい。第４図において、２
０１は共振点を持つリード片であつてその両端の
対向位置にエアギヤツプG₁，G₂を持つ。このリ
ード片２０１は１枚の板にてもよく、又、２個に
分割しても、固定がしつかりしておれば問題はな
い。２０２はリード片２０１を中央で支持するマ
グネツト、２０３はコの字型の磁性材料からなる
コアである。磁束の一方はマグネツト２０２のＮ
極、リード片２０１の一方の側２０１ａ，ギヤツ
プG₁，コア２０３の一方の側２０３ａの磁路を
通り、他方はリード片２０１の他方の側２０１
ｂ，ギヤツプG₂，コア２０３の他方の側２０３
ｂの磁路を通る。２０４，２０５はコア２０３の
一方の側２０３ａと他方の側２０３ｂとにそれぞ
れ巻回したコイルであり、コイル相互の接続はリ
ード片２０１の振動により各コイル２０４，２０
５に発生する電圧の位相が同相になるように直列
に接続する。このリード片２０１、各コイル２０
４，２０５，コア２０３の実装法は前記第１実施
例と同形式とし、マグネツト２０２の中心を強固
におさえ板等を用いてビス等で固定し、ノツキン
グによりリード片２０１の両側のみが相対的に振
動するように構成する。この検出器の作動はノツ
キングにより検出部全体が振動すると各ギヤツプ
G₁，G₂が同相で変化し、各コイル２０４，２０
５の出力電圧の和が検出コイル２０４，２０５よ
り出力され、この出力が加算されることによつて
２倍の検出感度を持つ。また、各ギヤツプG₁，
G₂が同相とならない振動成分（例えば機関のね
じれ等によるもの）は出力されず、振動出力の指
向性が向上する。

第４図図示の第２実施例が対向位置に各ギヤツ
プG₁，G₂を有する各磁路を配置したのに対し、
第５図は各ギヤツプG₁，G₂を有する磁路を平行
に置いた第３実施例である。この第５図において
は、リード片２０１ａは同一プレートの打抜きで
作り、磁路全体が並行に構成してある。この方式
によれば、作動は第４図と同様であるが、検出器
全体が小さく構成できる。

第６図は複数の同一共振系を持つ検出器出力の
完全な加算出力を得たい場合に使用するノツキン
グ検出回路３の入力処理回路の一部のブロツク図
である。２個のコイル出力を直接加算することは
信号の位相（共振点とも言える）がずれると互に
打消し合う。通常はこの方式が構成が簡略となり
耐ノイズ性がよく安価であるが、信号に対する感
度のみを確保したい場合に第６図の方式もでき
る。この第６図において、２は第４図あるいは第
５図に示すごとく２つのコイル２０４，２０５を
持つノツキング検出器、３１，３２は各コイル２
０４，２０５の出力を増幅する交流増幅器、３
３，３４は各交流増幅器３１，３２の出力を整流
して積分する整流積分器であり、この各積分器３
３，３４の電圧を加算器３５に入力する。従つ
て、交流信号が相殺されることはなく完全な信号
の加算が得られる。

又、検出器の感度はギヤツプＧの形状によつて
も異る。第７図ａ，ｂはギヤツプＧを形成するリ
ード片２１とコア２３の端部とを細くして、磁束
集中をよくすることでギヤツプ変化による磁束の
変化分を大きくして感度を向上させた第４実施例
を示すものである。ただし、端部は細い方が感度
はよいが、本来の振動検出はＡの方向がほしいの
に対し、Ｂ方向の振動にも感知しやすくなる。そ
こで、第７図ｃ，ｄ，ｅに示す第５実施例の様に
コア２３の幅は一定で端部をくさび状にすればＢ
方向の感度は鈍化してＳ／Ｎ比が向上する。

上述した各実施例ではリード片に磁力を与える
ものとしてマグネツトを用いたが、コイルによる
励磁も可能である。第８図はコア２０３をコの字
型に作りこれを巻回したコイル２０７に発振器２
０８より通電することで磁力を発生させた第６実
施例である。また、第８図において検出コイル２
０５をなくし、コイル２０７に接続する発振器２
０８を発振強度の弱いものとすれば、リード片２
０１の振動により発振器２０８の負荷が変化する
ことによつて発振器出力の変化として振動が検出
できる。

本発明は磁束変化による検出方式であるからコ
イルに代わり第９図図示の第７実施例の様に磁気
に感応する磁気抵抗素子２０８、ホール素子等比
較的低インピーダンスの素子の使用もできる。た
だし、使用温度として100〜120℃で安定に作動す
るものを選ぶ必要がある。

以上述べた様に本発明によれば、ノツキング周
波数に共振点を持つリード片と、エアギヤツプを
有する磁路と磁路の磁化手段及び磁束の検出手段
とで検出器を構成したから以下のごとき優れた効
果がある。

(1) リード片の長さによつてその共振周波数をノ
ツキング高周波に容易に合わせることができて
ノツキングに対す検出器の感度を飛躍的に向上
させることができるとともに、機関運転により
必然的に発生する振動ノイズ（例えばバルブの
着座振動）に対する感度を相対的に落すことが
できてＳ／Ｎ比をよくすることができるととも
に微少なノツキングの検出を可能にした。

(2) 検出器の検出部は磁気的に作動し、その構成
部品はコイル、マグネツト等の耐環境性に優れ
たものが使用でき、車両の厳しい環境条件に十
分に耐え圧電素子において問題となつた温度に
よる信号のドリフト、素子の欠け、割れ等の問
題も発生しにくく、機械的強度も十分である。

(3) コイルや磁気感応素子は圧電素子に比較して
はるかに低インピーダンスであり、点火ノイズ
等の影響も受けにくく増幅器もチヤージアンプ
を使用する必要はなく、汚れ、湿度による電荷
のリークも発生せず、安価で優れた安定性が得
られる。

(4) 材質は圧電素子に比較しても価格的に高価と
はならず、材料も量産性、耐久性に優れてお
り、高性能、安価で耐久性がよく、トレースノ
ツキングのような微少なノツキングの検出がで
きるという優れた特徴を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明検出器を適用するノツクフイー
ドバツク点火システムの構成図、第２図ａ，ｂは
本発明検出器の第１実施例を示す横断面図および
縦断面図、第３図は第２図図示検出器の出力特性
図、第４図は本発明検出器の第２実施例を示す模
式正面図、第５図ａ，ｂは本発明検出器の第３実
施例を示す模式正面図および模式平面図、第６図
は第１図図示点火システムに用いるノツキング検
出回路の要部構成の一実施例を示すブロツク図、
第７図ａ，ｂは本発明検出器の第４実施例を示す
リード片の正面図および全体的模式正面図、第７
図ｃ，ｄ，ｅは本発明検出器の第５実施例を示す
リードの正面図およびコアとコイルとの模式平面
図と模式正面図、第８図および第９図は本発明検
出器の第６および第７実施例を示す模式正面図で
ある。 １……内燃機関、２……ノツキング検出器、２
１，２０１……リード片、２２，２０２……マグ
ネツト、２３，２０３……磁路の一部をなすコ
ア、２４，２０４，２０５……コイル、２５……
ハウジング、Ｇ，G₁，G₂……エアギヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の振動に応じて振動する磁性体製の
   リード片を含み、かつこのリード片に隣接してエ
   アギヤツプを形成した磁路と、前記リード片の振
   動により前記エアギヤツプの幅が変化することに
   よる前記磁路の磁気抵抗の変化を検出する磁束検
   出手段とを備え、前記リード片にノツキング周波
   数において共振特性を持たせたことを特徴とする
   内燃機関用ノツキング検出器。 ２ 前記磁束検出手段は前記磁路に巻線したコイ
   ルよりなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の内燃機関用ノツキング検出器。 ３ 前記磁路は前記リード片に固定されたマグネ
   ツトおよび磁性体製のコアによつて形成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載
   の内燃機関用ノツキング検出器。