JPS6337884B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関のノツキングを検出するノ
ツキング検出装置に関する。

近年、内燃機関においては、熱効率、出力、燃
費等機関性能の向上のため、ノツキングの発生を
検出し、これにより、火花点火式内燃機関におけ
る点火時期または圧縮着火式内燃機関における燃
料噴射時期などを制御し、機関を最適な状態で運
転する制御システムの研究開発が行なわれ、すで
に一部では実用化されている。

火花点火式内燃機関では、一般に点火時期を早
くすればノツキングは起りやすく、また、遅くす
ればノツキングは起りにくくなる。機関の出力お
よび燃料消費率は、点火時期を徐々に進めていつ
たときノツキングが発生し始める直前の状態いわ
ゆるノツク限界点火時期、または、微ノツク（ト
レースノツクとも言う）の状態の点火時期が最も
良い。したがつて、この微ノツクの発生状態を検
出し、点火時期を最適に自動制御することによ
り、すなわち、微ノツクの発生が検出された場合
はあらかじめ定められた角度だけ点火時期を遅ら
せ、一定時間ノツクの発生がなければ定められた
角度だけ点火時期を進める等の自動制御を行なう
ことにより、機関の性能を最大限に発揮させて、
機関を運転することができる。そこで、この自動
制御を首尾よく行なうためには、内燃機関の燃焼
室で発生するノツキングを感度良く検出すると共
に、高いSN比（ノイズに対する信号の比）で検
出することのできるノツキング検出装置を必要と
する。

従来のノツキング検出装置には、燃焼室内の圧
力振動を検出する燃焼圧力センサ、機関壁振動を
検出する振動センサ、気中にてノツキング音を検
出するマイクロホン式センサがある。ここで、上
記３者のノツキング検出に対するSN比を比較す
ると、燃焼圧力センサが最も高く、マイクロホン
式センサが最も低いことが知られている。しか
し、燃焼圧力センサは多気筒エンジンにおいては
各気筒ごとにセンサを取り付ける必要がありコス
トが高くなると共に、燃焼室内の高温ガスの圧力
測定にはセンサ部が複雑になるとともに、耐久性
に問題が有り特に自動車用エンジンにおいては実
用され難い。そこで、従来においては機関壁振動
を検知する振動センサが使用されていた。

しかしながら、上記従来のノツキング検出装置
は、ノツキングの検出においてSN比が低く、燃
焼室内のノツキングを精度良く検出できないた
め、内燃機関の点火時期の制御を正確に行うこと
は困難であつた。その理由を次に説明する。

一般に、ノツキングは、燃焼室内の燃料が異常
燃焼を起こすとき発生する圧力液がシリンダ内で
衝撃的な気柱振動をひき起す現象である。

この衝撃的な圧力振動が、燃焼室を構成するシ
リンダ壁等の燃焼室壁にノツキング音としての機
械振動を発生させ、この機械振動が機関壁各部に
伝達される。従来のノツキング検出装置は、この
機関壁振動を検出すべく構成されたものである。
すなわち、第１図に示すように、検出器はシリン
ダブロツク等の機関壁Ｂに締着され、検出器のハ
ウジングＨの内部に圧電バイモルフ素子等の振動
検出素子Ｓが配設されており、検出器のハウジン
グＨとしての筐体に伝わつた振動を振動検出素子
Ｓで検出する。振動検出素子には、圧電式、磁歪
式、その他の振動検出方式のものがあるが、いず
れも検出器の筐体に伝わる振動を感度良く検出す
べく構成されている。

ところが、内燃機関においては、カム、バル
ブ、ベアリング等の数多くの振動発生源があり、
これらの振動源から発生した機械的雑音振動が機
関壁に伝播され、ノツキングによる振動音と共に
ノツキング検出器に感知される。そのため、ノツ
キングを高いSN比で検出することができない。
ガソリン機関においては、ノツキング時における
燃焼室内の圧力振動を周波数分析すると、約6K
Hz〜10KHzの高周波数帯域に、振動成分のピーク
値が存在することが知られており、ノツキング検
出器はこの周波数帯域における振動を検出するた
め、振動検出素子Ｓをノツキングの振動に共振さ
せてノツキングを検出する方法や検出した信号に
バンドパスフイルタをかけてノツキング信号を検
出する等の方法が行なわれている。しかしなが
ら、自動車用エンジン等の機関壁の振動には、ノ
ツキングによる振動の周波数成分と同等の周波数
成分を有する機械的雑音振動が多く含まれている
ため、上記従来の検出法では、内燃機関のノツキ
ングの検出におけるSN比を大巾に向上させるこ
とは本質的に困難であつた。その結果、点火時期
や燃料の噴射時期を正確に制御することができ
ず、すなわち正確なノツクコントロールを行うこ
とができず、熱効率、出力および燃料等の最適な
機関性能を得ることができなかつた。

このような状況から、本発明者らは、ノツキン
グ検出におけるSN比を向上し、ノツキングの検
出精度を高めることを目標とし、水冷式内燃機関
のノツキングによる振動音すなわち信号と、ノツ
キング以外による機械的雑音振動すなわちノイズ
がエンジンブロツクを伝播する経路を詳細に研究
を行ない、それを解析したところ、次のことを知
得した。

(1) ノツキング時において、燃焼室内で発生する
衝撃的な圧力波すなわち圧力振動は、先ず、燃
焼室を形成するシリンダーライナ、燃焼室の天
板等の燃焼室壁に伝播する。この燃焼室壁の振
動は、弾性波としてシリンダブロツク、シリン
ダヘツド等の複雑な断面形状を有するエンジン
の構成部材中を、弾性波の反射、干渉、共振等
の現象を共なつて伝播し、最後に、ノツクセン
サを取付けるシリンダブロツクの外壁に伝達す
る。一方、燃焼室内の圧力波は、シリンダーラ
イナ等の燃焼室の周壁すなわち水室との隔壁に
伝播した後、シリンダーライナとシリンダブロ
ツクの外壁間に形成される水室内の冷却水中に
シリンダーライナから直接入射し、冷却水中を
伝播する。

ガソリン機関においては、ノツキング発生時
の燃焼室の燃焼最高圧力は、約60気圧であり、
ノツキングによる燃焼室内の異常圧力振動の振
幅は燃焼最高圧力の約10％である。この高い振
幅の圧力波が、厚み５mm程度のシリンダーライ
ナを介して、ノツク音の音源である燃焼室に近
接する冷却水中に伝播されるため、冷却水中に
おけるノツク音の音圧はかなり高い。このた
め、該冷却水中においてはノツク音を感度良く
検出することができる。

(2) エンジンのカム、バルブ、ベアリング等の振
動の発生源から発生する機械的な雑音振動いわ
ゆるノイズは、前記ノツキングによる振動音と
同様に、ノイズ発生源からシリンダヘツド、シ
リンダブロツク等のエンジン構成部材中を伝播
し、ノツクセンサを取り付けるシリンダブロツ
クの外壁に伝達する。しかし一方、ノイズ発生
源におけるノイズ振動の振幅は、前記ノツク音
源に近接するシリンダーライナのノツキングに
よつて起る振動振幅に比べて極めて小さく、さ
らにそれらのノイズ音源が前記シリンダーライ
ナを取り囲む水室から離れた位置にあることか
ら、該水室隣接部材に伝達されるノイズ振動の
振幅は著しく小さい。そのためノイズは該水室
内の冷却水中へはほとんど伝わらない。そのた
め冷却水中ではノツク音を高いSN比で検出す
ることができる。

(3) エンジンのカムから発生する打撃音、バルブ
の着座時に発生する打撃音、ベアリングのガタ
により発生する機械的振動音など、エンジンに
おける雑音振動の発生源は極めて多く、これら
の発生源から発した雑音振動は、縦波、横波、
板波等の振動形態でエンジンブロツクを伝播
し、その伝播の過程において、複雑な断面形状
を有するブロツク内を波の反射、干渉を起して
伝播し、またブロツクの各部で新たな共振振動
を引き起して伝播し、ノツクセンサの取り付け
部に到達する。ノツクセンサ取り付け部におけ
るエンジンブロツク壁の振動は、あらゆる方向
の振動成分を有するが、機関壁振動を検知する
従来のノツクセンサは、第１図に記載した符号
Ｎで示す矢印方向の振動成分すなわち機関壁の
横方向振動成分を検知する。一方、ノツキング
による振動音もエンジンブロツクを伝播する成
分は、上記ノイズの場合と同様の伝播過程を経
たのち、雑音と同じようにその横方向振動成分
Ｎが検知される。したがつて、ノツキング音と
ノイズは従来においては、全く同様の振動形態
として検知されるものであり、両者を分離して
検出することは困難である。

しかしながら本発明者らは、上記ノツキング
音とノイズ振動とを振動の形態的に分離して検
出する方法を案出した。すなわち、エンジンブ
ロツクの壁面振動の受信を完全に遮断し、燃焼
室内の圧力振動によるシリンダーライナの径方
向振動変位により冷却水中に伝播するノツキン
グの圧力振動のみを受信することによりノツキ
ングを検出する方法である。この方法における
特徴の一つは、液体中においては圧力波のみが
存在可能であり、固体中の場合のように横波す
なわち剪断波が存在しないということにある。
一方、エンジンブロツク壁には、ノイズが縦
波、横波、板波の振動形態にて伝播するが以下
に述べる本発明装置ではこれを検知しない。す
なわち、本発明においては、液中の圧力振動を
受信する受圧部がエンジンブロツク壁から完全
に振動絶縁されるものである。

また、ノイズがエンジンブロツク外壁の横振
動により圧力波となつて水中に伝播されるにし
ても、金属のブロツク壁と水との固有音響イン
ピーダンスの大きな差異により、水中に伝播さ
れるノイズの振動圧力が約100分の６に低下す
るとともに、このわずかなノイズ振動に対して
も、該受圧部に受信の方向性を持たせることに
よりこれを検知させないようにすることができ
る。

本発明は、本発明者らが上記の研究解析結果に
基いて完成したものであり、ノツキング時におけ
るエンジンの燃焼室内で発生する異常圧力振動に
より、燃焼室を取り囲む冷却水中に入射する圧力
波をエンジンの運転中に検知することにより、ノ
ツキングの発生を極めて正確に検出し、火花点火
式内燃機関の点火時期を常に最適に自動制御し、
機関の性能を最大限に発揮させ得るノツキング検
出装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンブロツク内に、燃焼室と該
燃焼室を取り囲む冷却水用の水室を有する冷却式
の内燃機関において、ノツキングにより発生する
燃焼室内の異常圧力振動がシリンダーライナ等の
隔壁を介し冷却水中に入射し、水中を伝播するノ
ツク音の音圧を、シリンダーライナ等の隔壁近傍
の冷却水中に埋没させた受圧部で検出することに
より、燃焼室内で発生するノツキングを感度よく
検出することができるノツキング検出装置を提供
することを目的とする。

また本発明は、エンジンブロツクの側壁に締着
し受圧部を冷却水中に挿入するノツキング検出装
置であつて、受圧部をゴムまたは合成樹脂等の振
動吸収剤からなる支持部材を介して検出装置の筐
体から水中前方に長く突出せしめて配設し、エン
ジンブロツクの側壁から冷却水に伝播される圧力
振動の影響を回避するとともに、エンジンブロツ
クの側壁から検出装置の筐体を介して受圧部に伝
達する機械的雑音振動を前記支持部材にて吸収さ
せる。

さらに、受圧面をエンジンブロツクの側壁と直
交する態様に配設し、受圧面に対し平行方向の振
動変位を有する機械的雑音振動すなわちブロツク
側壁の横振動などを前記受圧部にて検知しないよ
う振動の受信に対し方向性を持たせ、エンジンブ
ロツクから機械的雑音振動が前記支持部材を介し
てわずかに伝達されたとしても、その雑音振動が
受信されないようにすることにより、燃焼室内で
発生するノツキングを高いSN比（ノイズに対す
る信号の比）で検出することのできるノツキング
検出装置を提供することを目的とする。

さらに本発明は、エンジンの冷却水中に埋没さ
せる受圧部において、水中を伝播するノツク音の
音圧を受信する受圧面を互いに相反する方向に向
け、かつ、シリンダライナ等の隔壁に対して直角
となる態様に配設し、ノツク音が隔壁を介してエ
ンジンの水室内の左右いずれの方向から伝播され
ても受圧できるようにすると共に、受圧面に対し
直角に入射する音波に対しては感度よく受圧し、
受圧面に対し角度をもつて入射する音波に対して
は直角ベクトル成分相当を受圧し、受圧感度が低
下する如く、水中音波の受圧に方向性を持たせる
ことにより、特に多気筒エンジンのいずれの気筒
内で発生するノツキングについてもほぼ同等の感
度で検出することができるノツキング検出装置を
提供することを目的とする。

本発明の内燃機関のノツキング検出装置はエン
ジンブロツク内に燃焼室と水室とを隔壁を介して
形成し、水室に冷却水通路を接続した水冷式の内
燃機関において、前記エンジンブロツクの外側壁
に略直角に締着される環状部材よりなる筐体と、
該筐体に一端を液密に固着し、他端をエンジンブ
ロツクの外側壁から所定距離だけ突出させ、突出
部先端が前記水室又は冷却水通路内の所定位置に
位置する様にしたゴムまたは合成樹脂等の振動吸
収材で構成した支持部材と、該支持部材の突出部
先端に互いに相反する方向を向くとともに、前記
エンジンブロツクの外側壁に対して直角になる様
に受圧面を配置し、燃焼室内で発生したノツキン
グを、前記隔壁を介して冷却水中に伝達されたノ
ツキング音の水中圧力振動として前記受圧面に作
用させ電気的信号の変化として検出するようにし
た受圧部と、前記支持部材内に介挿して受圧部に
接続され受圧部が検出したノツキングに応じた電
気的信号の変化をエンジンブロツク外に取り出す
リード線とから成り、燃焼室内で発生したノツキ
ングのみを水中圧力振動として有効に検出するも
のである。

上述の構成より成る本発明の内燃機関のノツキ
ング検出装置は、燃焼室を隔壁を介して包囲する
水室内の冷却水中に受圧部を配置するものである
ため、燃焼室内のノツキングの発生音源に近いと
ともに、通常肉厚が薄く、且つ冷却水との接触面
積の大きい隔壁から冷却水中に強く入射されるノ
ツキング音の圧力振動を検出するので、感度良く
ノツキングを検出することができるという利点を
有する。

また本発明の内燃機関のノツキング検出装置
は、燃焼室を隔壁を介して包囲する水室内の冷却
水中に受圧部を配置するものであるため、受圧部
がエンジンのカム、バルブ、ベアリング等の機械
的雑音源から遠い位置にあるとともに、隔壁その
他の水室隣接部材を介して伝達されるこれらの機
械的雑音の振動振幅がノツキングに基づく音波の
圧力振動振幅に比べて著しく小さいため、これら
の機械的雑音は殆んど冷却水中には伝達されない
ので、また固体中の様な横波（剪断波）が存在し
ない冷却水中に配置した受圧部が、ノツキング音
にもとづく圧力波のみを高いSN比で検出するこ
とができるという利点を有する。

したがつて本発明の内燃機関のノツキング検出
装置は、感度良く、かつ高いSN比でノツキング
音の圧力振動を検出することができるので、微ノ
ツクおよびノツキングの発生限界をも正確に検出
することができるという利点を有する。

また本発明のノツキング検出装置は、ゴムまた
は合成樹脂等の振動吸収材より成る支持部材を介
してエンジンブロツクの外周壁に固着するもので
あるため、エンジンブロツクの外周壁を介して伝
達される高周波帯域の機械的雑音振動を前記支持
部材によつて絶縁、吸収することができる。しか
も、受圧部の受圧面をエンジンブロツクの外周壁
に対して直角になる様に配置したため、受圧面に
対し平行の方向を有する振動変位であるエンジン
ブロツクの横振動を、受圧部が感知しないように
したため、エンジンブロツク外周壁の機械的雑音
振動の機械的伝達をほぼ完全に防止することがで
きる。また受圧部をエンジンブロツクの外周壁か
ら充分突出した支持部材の突出部の先端に配設し
たので、エンジンブロツクの外周壁端面から冷却
水中に入射される圧力振動の直接的影響を回避し
ている。以上のことから明らかな様に、本発明の
ノツキング検出装置は、隔壁を介して冷却水中に
伝播されたノツキング音の圧力振動のみを高い
SN比で検出することができるという利点を有す
る。

さらに本発明のノツキング検出装置は、燃焼室
を包囲する水室内において、受圧部を構成する受
圧面を互いに相反する方向に向く様に配置すると
ともに、燃焼室を形成する隔壁に沿うエンジンブ
ロツクの外周壁に対し直角に配置したので、隔壁
を介してエンジンの水室内の左右いずれの方向か
らノツキング音の圧力振動が伝播されても検出す
ることができるという利点を有する。

本発明の内燃機関のノツキング検出装置は、上
述の様に、燃焼室内に発生したノツキングに基づ
く圧力振動を、感度良く、且つ高いSN比で検出
することができるので、微ノツクおよびノツキン
グの発生限界をも正確に検出できるため、点火時
期や燃料噴射時期を正確に制御して、運転状態に
応じた熱効率、出力および燃費等の最適な内燃機
関性能を得ることができるという利点を有する。

本発明の内燃機関のノツキング検出装置は、以
下の様な態様を採り得る。

本発明の第１の態様のノツキング検出装置は、
受圧部の受圧面を圧電素子により構成し、受圧面
に作用する圧力振動を電気的信号の変化として検
出するものである。

本第１の態様は、受圧面に作用したノツキング
音に基づく圧力振動を直接電気的信号の変化に変
換するので、構造が簡単であるため、製造が容易
であり、安価であるという利点を有するととも
に、耐久性および保守が容易であるという利点を
有する。

本発明の第２の態様のノツキング検出装置は、
受圧部の受圧面を、所定の厚さおよび面積に形成
したノツキングの周波数域に対応する共振周波数
を有する振動板により構成し、該振動板上に機電
変換素子を配置する構成より成り、前記受圧面に
作用したノツキング音による水中圧力振動に応じ
て振動板が機械的変化し、機電変換素子により前
記振動板の機械的変化を電気的信号の変化として
検出するものである。

本第２の態様は、振動板がノツキングの周波数
域に対応する共振周波数を有する様に、その厚さ
面積、材質を任意に変えることができるととも
に、使用する機電変換素子および検出する機械的
変化を任意に選べるので、感度良くノツキング音
による圧力振動のみを検出することができるとい
う利点を有するとともに、その結果後段のコント
ロール回路において雑音信号を除去するための複
雑な回路を不要にし、コントロール回路を簡素化
できるという利点を有する。

本発明の第３の態様のノツキング検出装置は、
エンジンブロツク内に複数の燃焼室を一列に形成
した列型内燃機関において、前記筐体を前記エン
ジンブロツクの長手方向の中央部の外側壁に締着
し、前記受圧部の受圧面を直列に配列された各燃
焼室を臨む方向に配設する構成より成り、いずれ
の燃焼室で発生するノツキングについても、ほぼ
同等の感度で検出できるようにしたものである。

本第３の態様は、多気筒内燃機関においては、
受圧部に遠い燃焼室からのノツキング音による圧
力振動の方が、近い燃焼室からのものより直角に
近い角度で受圧面に作用するので、受圧面に対す
る直角方向の圧力振動のベクトル成分の大きさ
と、燃焼室と受圧面との距離とが相殺され、いず
れの燃焼室で発生するノツキングについても、ほ
ぼ同等の感度で検出できるという利点を有すると
ともに、その結果、多気筒内燃機関においても１
個のノツキング検出装置で精度良く検出すること
ができるという利点を有する。

本発明の第４の態様のノツキング検出装置は、
受圧部の受圧面を、水の固有音響インピーダンス
と受圧面を構成する圧電素子の固有音響インピー
ダンスとの中間の固有音響インピーダンスを有す
る膜で被覆し、ノツキング音の水中圧力振動の受
圧面への伝達効率を高めるものである。

本第４の態様は、受圧面を水と受圧面の固有音
響インピーダンスの中間の固有音響インピーダン
スを有する膜で被覆するため、水と受圧面との音
響インピーダンスのギヤツプを緩和し、ノツキン
グ音による圧力振動の受圧面への伝達効率を高
め、感度を上げるので、冷却水中の弱い音圧のノ
ツキングをも検出できるという利点を有するとと
もに、受圧面リード線の保護機能を併わせ有する
ので、長期に亘り安定な受圧特性を維持できると
いう利点を有する。

上記した本発明は、これらを具体化するにあた
つては次の第１ないし第４実施例のようにするこ
とができる。

次に本発明を第１実施例の内燃機関のノツキン
グ検出装置に基づき第２図ないし第４図を用いて
説明する。

第１実施例のノツキング検出装置１１は、その
受圧面を２枚の円板形圧電素子で形成し、二つの
受圧面が互いに相反する方向を向く態様に配設し
たことを特徴とする。

本第１実施例のノツキング検出装置を取り付け
る水冷式の内燃機関は、４個の燃焼室を直列型に
配置した自動車用のガソリンエンジンであり、ピ
ストン６を摺嵌した燃焼室２とその回りを取り囲
む水室４を隔壁としてのシリンダライナ３を介し
て形成したシリンダブロツク１の上に、水室８と
吸気弁７Ａと排気弁７Ｂを備えたシリンダヘツド
７をガスケツト９を介して結合してエンジンブロ
ツクを構成し、連通したシリンダブロツクの水室
４とシリンダヘツドの水室８を図示しない冷却水
通路を経て図示しないラジエータに接続してい
る。

本第１実施例のノツキング検出装置１１は、第
３図に示すように、２番気筒と３番気筒の間の位
置に対応するシリンダブロツク１の外周壁５に、
その外周壁５とシリンダライナ３との間の水室４
に連通する螺孔の取り付け孔５Ａを貫設し、この
取り付け孔５Ａに該検出装置１１の筐体１３の先
端取付螺部１３Ａを座金５Ｂを介して螺合し緊締
する。ここにおいて、該検出装置の受圧部１２
は、後述する支持部材１４によりエンジンブロツ
クの側壁から冷却水中に挿入され、エンジンブロ
ツクの外周壁５より水室内部に突出し、冷却水４
に理没する態様にて保持される。

上記のノツキング検出装置１１は、第４図に示
すように冷却水中におけるノツキング音を検知す
る受圧部１２と、検出装置の筐体１３と、該筐体
１３の内部から先方に長く突出しその先端部にて
受圧部１２を保持する支持部材１４と、受圧部に
接続したリード線に接続されたコネクタ１５より
成る。該支持部材１４は、ゴムまたは合成樹脂に
カーボン粉末をまぜた振動吸収材で成形し、突出
した小径の棒状支持部１４Ａと大径のフランジ部
１４Ｂを有するＴ字形断面形状に形成されてい
る。この支持部材１４の先端部には、上記受圧部
１２を一体的にモールドし配設した。該受圧部１
２は、受圧素子として直径10mm、厚み約１mmの２
枚の円板形圧電素子１６Ａ，１６Ｂを、同径の厚
肉金属円板から成るパツキング材１７の両面に、
圧電素子の正極側の面を対向させて耐熱性接着材
で接着し、圧電素子の負極側の円形平面１２Ａお
よび１２Ｂを受圧面と成し、該受圧面が互いに背
向する態様に構成し、かつ、水中から受圧素子へ
のノツキング音の伝達を良好にするため、両受圧
面１２Ａ，１２Ｂをゴムまたは樹脂で被覆した。
また、前記支持部材１４の大径フランジ部１４Ｂ
の端部には検出装置のコネクタ１５のフランジ部
１５１を一体的に固着し、コネクタ１５の端子１
５Ａには、前記圧電素子１６Ａおよび１６Ｂの正
極に接続されたリード線を結線し、端子１５Ｂに
は、圧電素子１６Ａおよび１６Ｂの負極に接続さ
れたリード線を結線した。これらのリード線はい
ずれも前記支持部材の内部に一体的に埋設されて
いる。

該検出装置の筐体１３には、前記受圧部１２を
保持する小径の棒状支持部１４Ａが貫通する内部
孔１３１および大径のフランジ部１４Ｂを嵌合す
る大径孔１３２を配設すると共に、該筐体１３に
前記受圧部を保持する支持部材１４を装着し、大
径孔１３２の螺部１３Ｂに螺合するナツト１３４
により支持部材１４のフランジ部１４Ｂを締着し
た。

ここにおいて、本実施例のノツキング検出装置
１１は、振動吸収材で形成された小径の棒状支持
部材１４Ａが、筐体中央部から筐体の内部孔１３
１を貫通し筐体前方に突出し、その支持部材の先
端にて受圧部１２が保持される。また、本実施例
装置をエンジンブロツクに装着したとき、受圧部
１２および支持部材の小径棒状支持部１４Ａの前
表面が冷却水中に埋没し、かつ、受圧部１２がエ
ンジンの燃焼室を取り囲む水室内のシリンダライ
ナ近傍において、その受圧面１２Ａ，１２Ｂがエ
ンジンブロツクの外壁５と直角になる態様に配置
されると共に、これら二つの受圧面が互いに背向
し、それぞれの受圧面が直列型に配列された４気
筒シリンダを臨む方向を向く様に配置する。

次に本第１実施例のノツキング検出装置の作用
ならびに効果を説明する。

燃焼室２でノツキングが発生すると、燃焼室内
の圧力振動がシリンダライナ３を介してエンジン
の冷却水中に入射し、圧力波Ｐすなわちノツク音
が水室内の冷却水を伝播する。この圧力波Ｐがシ
リンダライナ近傍の水中に埋没された受圧部１２
の受圧面１２Ａまたは１２Ｂで受信され、円板形
圧電素子１６Ａまたは１６Ｂにより電気振動に変
換されその出力電圧がリード線を介してコネクタ
１５の端子１５Ａ，１５Ｂに出力される。

本実施例の検出装置は、シリンダライナを取り
囲む冷却水中に受圧部を埋没させてノツキング音
を検出するため、水中に強く入射されるノツキン
グ音を検知することができる利点があると共に、
ノツキングの発生音源に近接する位置でノツキン
グ音を検知するため、燃焼室内の微ノツクの発生
をも感度良く検出することができ、ノツキングの
発生限界を正確に検知することができる。

また、受圧部は、振動吸収材で形成した棒状支
持部材の先端に配設され、検出器の筐体から隔絶
されているとともに、受圧面をエンジンブロツク
の外壁と直交する態様に配設しエンジンブロツク
の横振動を感知しないようにしたため、エンジン
ブロツクの機械的雑音振動の混入をほぼ完全に防
止することができ、燃焼室内で発生するノツキン
グを高いSN比で検出することができる。

また、受圧部は、その二つの受圧面を互いに背
向させ、かつ、それぞれの受圧面が直列に配列さ
れた多気筒シリンダの中央に配置し各シリンダを
臨む方向を向くように配設したため、多気筒エン
ジンのいずれの気筒内で発生するノツキングにつ
いてもほぼ同等の感度で検出することができる。

また、受圧面は水の固有音響インピーダンスと
受圧素子の固有音響インピーダンスとの中間の固
有音響インピーダンスを有する樹脂膜で被覆した
ため、水中から受圧素子へのノツキング音の伝達
が良く、水中における弱い音圧のノツク音につい
ても感度よく検出する利点がある。

また、受圧素子の周囲全面が、樹脂またはゴム
膜により防水されているため、受圧部の受圧特性
を長期に亘つて良好な状態に保持できる。

以上の様に、本第１実施例の内燃機関のノツキ
ング検出装置は、シリンダ内に発生したノツキン
グに基づく圧力振動を、感度良く且つ高いSN比
で検出することができるので、微ノツクおよびノ
ツキングの発生限界をも正確に検出できるため、
点火時期を正確に制御して、運転状態に応じた熱
効率、出力および燃費等の最適な内燃機関性能を
得ることができるという利点を有する。

次に本発明を第２実施例の内燃機関のノツキン
グ検出装置に基づき第５図ＡおよびＢを用いて説
明する。

第２実施例のノツキング検出装置２１は、第５
図Ａに示すようにその受圧面を１個の中空円筒形
の圧電素子で形成し、受圧面を円筒面とすると共
に該受圧面が本装置を取り付けるエンジンブロツ
クの外壁に対し直角となる態様に配設したことを
特徴とする。以下、第１実施例と同一の構成部分
については、同一の符号を付し説明を省略する。

本第２実施例のノツキング検出装置２１は、第
５図Ｂに示すように前記第１実施例と同様に、シ
リンダブロツクの外周壁５に貫設した取り付け孔
５Ａに緊締する。ここにおいて、該検出装置の受
圧部２２は、エンジンブロツクの側壁から冷却水
中に挿入され、エンジンブロツクの外周壁５より
水室内方に突出し、冷却水４に埋没する態様にて
保持される。

上記のノツキング検出装置２１は、冷却水中に
おけるノツキング音を円筒面で検知する受圧部２
２と、検出装置の筐体２３と、該筐体の内部から
先方に長く突出しその先端部にて受圧部２２を保
持する支持部材２４と、検出装置のコネクタ１５
より成る。該支持部材２４は、ゴム等の振動吸収
材で成形され、突出した小径の中空棒状支持部２
４Ａと大径のフランジ部２４Ｂから成り、この支
持部材２４の先端部には、上記受圧部２２を一体
的にモールドし配設した。該受圧部２２は、受圧
素子として外径10mm、内径８mm、長さ10mmの円筒
形圧電素子２６を前記中空棒状支持部２４Ａと同
軸的に配設して形成し、該円筒形圧電素子の円筒
状外表面２２Ａを受圧面と成し、該受圧面は水と
の音響インピーダンスを整合させ水中から圧電素
子へのノツキング音の伝達を良くするためゴムの
薄膜２２１で被覆した。また、前記支持部材２４
の大径フランジ部２４Ｂの端部にはコネクタ１５
のフランジ部１５１を一体的に固着し、本検出装
置の筐体２３の大径孔１３２に上記支持部材２４
の大径フランジ部２４Ｂおよびコネクタ１５のフ
ランジ部１５１を嵌着した。また、コネクタ１５
の端子１５Ａには、前記圧電素子２６の外表面電
極に接続されたリード線を結線し、端子１５Ｂに
は圧電素子２６の内表面電極に接続されたリード
線を結線した。

ここにおいて、本実施例のノツキング検出装置
２１は、振動吸収材で形成された中空の棒状支持
部材２４Ａが、筐体中央部から筐体の内部孔１３
１を貫通し筐体前方に突出し、その支持部材の先
端にて受圧部２２が保持される。また、本実施例
装置をエンジンブロツクに装着したとき、受圧部
２２および中空の棒状支持部材２４Ａが冷却水中
に埋没し、かつ、受圧部２２がエンジンの燃焼室
を取り囲むシリンダライナ近傍において、その受
圧面２２Ａがエンジンブロツクの外壁５と直角に
なる態様に配置されると共に、円筒の軸対象とな
る受圧面各部が互いに相反する方向を向く。

水冷式の内燃機関に装着した本実施例装置は、
第１実施例の場合と同様に、ノツキングにより水
中に入射された圧力波Ｐを検出し、その出力電圧
をコネクタ１５の端子１５Ａ，１５Ｂに出力す
る。

したがつて、本第２実施例のノツキング検出装
置は前記第１実施例装置と同様に、燃焼室内のノ
ツキングの発生を感度良く、かつ、高いSN比で
検出する等の優れた効果を奏する。また、本第２
実施例装置は、受圧面が円筒面であるため冷却水
中において受圧面に直角となるいずれの方向から
入射するノツキング音も検出することができる利
点があると共に、受圧部の構成が簡単なため本装
置の製造にあたつてはコストが安価である利点が
ある。

次に本発明を第３実施例の内燃機関のノツキン
グ検出装置に基づき第６図を用いて説明する。第
３実施例のノツキング検出装置３１は、その受圧
面を２枚のバイモルフ型圧電素子で形成し、二つ
の受圧面が互いに相反する方向を向く態様に配設
したことを特徴とする。

上記のノツキング検出装置３１は、冷却水中に
おけるノツキング音をバイモルフ型円板状圧電素
子で形成される受圧面で検知する受圧部３２と、
検出装置の筐体３３と、該筐体の内部から先方に
長く突出しその先端部にて受圧部３２を保持する
支持部材３４と、検出装置のコネクタ１５より成
る。該支持部材３４は、ゴムまたは樹脂等から成
る振動吸収材で製作した小径の中空棒状支持部３
４Ａならびに大径のフランジ部３４Ｂから成り、
この支持部材３４の先端部には、上記受圧部３２
を一体的にモールドし配設した。該受圧部３２
は、受圧素子として直径10mm厚み約１mmの２枚の
圧電板の分極方向を逆にして貼り合わせ、外側の
電極を電気端子としたいわゆるバイモルフ型円板
状圧電素子３６Ａ，３６Ｂを、外径10mm、内径８
mm、長さ４mmの中空円筒３５の両開口端に接着
し、バイモルフ型圧電素子の負極側の円形平面３
２Ａ，３２Ｂを受圧面と成し、これら二つの受圧
面が互いに背向する態様に構成し、かつ、該受圧
面と、冷却水との音響インピーダンスを整合させ
て水中から圧電素子へのノツキング音の伝達を良
くするためゴムの薄膜２２１で被覆した。

また、前記支持部材３４の大径フランジ部３４
Ｂの端部にはコネクタ１５のフランジ部１５１を
一体的に固着し、本検出装置の筐体３３の大径孔
１３２に上記支持部材３４の大径フランジ部３４
Ｂおよびコネクタ１５のフランジ部１５１を装着
し、大径孔１３２の螺部１３Ｂに螺合するナツト
１３４により締着した。また、コネクタ１５の端
子１５Ａには、２枚のバイモルフ型圧電素子のそ
れぞれの正極側電極に接続されたリード線を結線
し、端子１５Ｂには負極側電極に接続されたリー
ド線を結線した。

ここにおいて、本実施例のノツキング検出装置
３１は、振動吸収材で形成された中空の棒状支持
部材３４Ａが、筐体中央部から筐体の内部孔１３
１を貫通し筐体前方に突出し、その支持部材の先
端にて受圧部３２が保持される。また、本実施例
装置をエンジンブロツクに装着したとき、受圧部
３２および中空の棒状支持部材３４Ａが冷却水中
に埋没し、かつその受圧面３２Ａ，３２Ｂがエン
ジンブロツクの外壁５と直角になる態様に配置さ
れると共に、これら二つの受圧面が互いに背向し
それぞれの受圧面が直列型に配列された多気筒シ
リンダを臨む方向を向く。

水冷式の内燃機関に装着した本実施例装置は、
燃焼室内のノツキングにより水中に入射するノツ
キング音としての圧力波Ｐが受圧面に作用する
と、受圧素子としてのバイモルフ型圧電素子は、
タイコの膜面が振動する如く、たわみ振動を起
し、その出力電圧をコネクタ端子１５Ａ，１５Ｂ
に出力する。

上記構成より成る第３実施例のノツキング検出
装置は、受圧素子として上述のバイモルフ型圧電
素子を利用したため、高い出力電圧を得ることが
できる。したがつて、本実施例装置は、前記第１
ないし第２実施例装置に比べて高い感度でノツキ
ング音を検出することができる利点を有すると共
に、前記第１実施例に記載した優れた効果を奏す
る。

次に本発明を第４実施例の内燃機関のノツキン
グ検出装置に基づき第７図を用いて説明する。本
実施例装置４１は、前記第３実施例装置と比較す
ると、受圧面に振動板を用い、該振動板の内面中
央部にバイモルフ型圧電素子を接着した点が異な
りこの振動板をノツキング音に共振させるように
成し、燃焼室内のノツキングを一層高い感度でか
つ高いSN比で検出できるようにしたことを特徴
とする。

本実施例のノツキング検出装置４１は、前記第
１ないし第３実施例の場合と同様に、第７図に示
すようにシリンダブロツクの外壁５に貫設した取
り付け孔５Ａに緊締する。ここにおいて、該検出
装置の受圧部４２は、エンジンブロツクの側壁か
ら冷却水中に挿入され、エンジンブロツクの外壁
５より水室内方に突出し、冷却水４に埋没する態
様にて保持される。

上記のノツキング検出装置４１は、水中におけ
るノツキング音を共振振動板を持つ受圧面４２
Ａ，４２Ｂで検知する受圧部４２と、検出装置の
筐体４３と、該筐体の内部から先方に長く突出し
その先端部にて受圧部４２を保持する支持部材４
４と、検出装置のコネクタ１５より成る。該支持
部材４４はゴムにカーボン粉末等をまぜた振動吸
収材で製作した小径の中空棒状支持部４４Ａなら
びに大径のフランジ部４４Ｂから成り、この支持
部材４４の先端部には、上記受圧部４２を一体的
にモールドし配設した。該受圧部４２は、直径10
mm、厚み50μのステンレス製の振動板４６Ａ，４
６Ｂを、外径10mm、内径８mm、長さ４mmのステン
レス製中空円筒４５の両開口端に溶接し、直径５
mmのバイモルフ型圧電素子４７Ａ，４７Ｂをそれ
ぞれ上記振動板４６Ａ，４６Ｂの内面に接着し、
かつ、受圧面４２Ａ，４２Ｂには冷却水との音響
インピーダンスを整合させて水中からの音圧を良
好に受信するための樹脂膜を形成し、該振動板の
共振周波数がノツキング音の中心周波数と一致す
るように構成した。また、前記支持部材４４の大
径フランジ部４４Ｂの端部にはコネクタ１５のフ
ランジ部１５１を一体的に固着し、本検出装置の
筐体４３の大径孔１３２に上記支持部材４４の大
径フランジ部４４Ｂおよびコネクタ１５のフラン
ジ部１５１を装着し、大径孔１３の螺部１３Ｂに
螺合するナツト１３４により締着した。また、コ
ネクタ１５の端子１５Ａには、２枚のバイモルフ
型圧電素子のそれぞれの正極側電極に接続された
リード線を結線し、端子１５Ｂには負極側となる
振動板に接続されたリード線を結線した。

ここにおいて、本実施例のノツキング検出装置
４１は、振動吸収材で形成された小径の中空棒状
支持部４４Ａが、筐体４３の中央部から筐体の内
部孔１３１を貫通し、筐体前方に突出し、その支
持部材の先端にて受圧部４２が保持される。ま
た、本実施例装置をエンジンブロツクに装着した
とき、受圧部４２および支持部材４４の小径の中
空棒状支持部４４Ａが冷却水中に埋没し、かつ受
圧部４２がエンジンの燃焼室を取り囲む水室内の
シリンダライナ近傍において、その受圧面４２
Ａ，４２Ｂがエンジンブロツクの外壁５と直角に
なる態様に配置されると共に、これら二つの受圧
面が互いに背向し、それぞれの受圧面が直列型に
配列された多気筒シリンダを臨む方向を向くよう
に配置される。

水冷式内燃機関の燃焼室においてノツキングが
発生すると、燃焼室内の圧力振動がシリンダライ
ナ３を介してエンジンの冷却水中に入射した圧力
波Ｐすなわちノツク音が水室内の冷却水中を伝播
する。この圧力波Ｐがシリンダライナ近傍の水中
に埋没された受圧部４２の受圧面４２Ａまたは４
２Ｂに入射すると、内表面に圧電素子が接着され
た振動板は、ノツキング音の周波数に共振して、
タイコの膜面が振動する如く、たわみ振動を起
し、その振動が圧電素子により電気振動に変換さ
れ、その出力電圧がコネクタ１５の端子１５Ａ，
１５Ｂに出力される。

上記構成より成る第４実施例装置は、その受圧
面が冷却水中を伝播するノツキング音の周波数に
共振するようにしたため、ノツキング音の検出に
あたつては一層高い感度で検出できると共に、水
中におけるノツキング音以外の圧力振動たとえば
冷却水ポンプの脈動流等による振動の如くノツキ
ング音の周波数とは異なる圧力振動に対してはそ
の受信感度が著しく低下するため、一層高いSN
比で燃焼室内のノツキングの発生を検出すること
ができる。

その結果、本第４実施例装置は、後段のコント
ロール回路において雑音信号を除去するための複
雑な回路を不要にし、コントロール回路は簡素化
できるという利点を有する。また、本実施例は前
記した第１実施例の優れた効果を合せ有するもの
である。

また、本第４実施例装置は、受圧部における圧
電素子が２枚の金属製振動板および金属製中空円
筒により囲まれた中空体の内部に配設されている
ため、外部の電気雑音を完全にシールドできる。
したがつて、エンジンに付帯された電気機器から
の電気的な雑音信号の混入がほとんどないため、
前記実施例に較べて一層高いSN比で燃焼室内の
ノツキングを検出することができる利点がある。

また、本第４実施例装置は、振動板を溶接によ
り金属円筒に接合するため、円筒内部の圧電素子
は完全に防湿される。そのため、受圧部を水中に
埋設するにもかかわらず、ノツキング音の受信特
性の劣化がなく、長期にわたる安定な使用を可能
とするため、極めて実用的な装置を提供する。

また、本実施例装置は、受圧面としての振動板
に接着する素子をバイモルフ型圧電素子の代り
に、薄肉、高感度の一般の圧電素子を接着して使
用できるものであり、この場合には本装置の製造
コストを一層安価にする利点がある。

次に本発明を第５実施例の内燃機関のノツキン
グ検出装置に基づき、第８図を用いて相違点を中
心に説明する。

本第５実施例のノツキング検出装置は振動吸収
材で製作された支持部材４４の内部にインピーダ
ンス変換用ユニツトＵを内蔵し、ノツキング検出
部の出力インピーダンスを低くし、自動車用エン
ジンの電気部品から発生する電気ノイズの混入を
極力防止するものである。

また、本第５実施例装置は、エンジンブロツク
の外周壁からの機械的雑音振動を有効に吸収する
ためにソケツト１５１′のフランジ部の径を筐体
４３の内周壁より小径にし、直接接触しない構成
にした。他の部分は前述の第４実施例装置と同様
の構成より成る。

本第５実施例のインピーダンス変換用ユニツト
は、接合型電界効果トランジスタ（FET）およ
び抵抗R₁，R₂から成る。電界効果トランジスタ
のゲートＧには圧電素子の正極を結線し、ドレイ
ンＤにはコネクター端子Ｋ１が結線され、さら
に、ソースＳにはバイアス用抵抗R₁を介してコ
ネクター端子Ｋ２を結線した。コネクター端子Ｋ
２には、圧電素子の負極を結線し、さらにノツキ
ング検出装置の筐体にアースする。また、ゲート
Ｇと端子Ｋ２との間には、ゲート用抵抗R₂を結
線した。

コネクター端子Ｋ１には、FETの負荷用抵抗
R₃を介して外部より直流電源Ｖが供給されるよ
うにし、電界効果トランジスタによるノツク信号
出力はコネクター端子Ｋ１からコンデンサＣを介
して出力端子K₃に出力されるようにした。

本第５実施例においては、燃焼室内のノツキン
グにより冷却水中に入射した圧力波Ｐをノツキン
グ検出装置の受圧面で受信し、その電気信号を検
出装置に内蔵したインピーダンス変換用ユニツト
を介して外部に出力させる。そのためノツキング
検出装置の出力インピーダンスを低くすることが
でき、自動車用エンジンの電気部品から発生する
電気ノイズの混入を防止することができる。ま
た、同時に電界効果トランジスタによりノツキン
グ信号を増幅し、一層高いノツキング信号出力を
得ることが可能であり、実用上極めてすぐれた効
果がある。

本第５実施例においては、ソケツト１５１′の
フランジ部の外径を筐体４３の内周壁の径より小
にして、直接接触しない様にしたため、上述の実
施例に比べエンジンブロツク外周壁からの機械的
雑音信号の受圧部への伝達を一層有効に除去でき
るという利点を有する。

以上要するに本発明の内燃機関のノツキング検
出装置は、上述の様な構成にしたことにより、燃
焼室内に発生したノツキングに基づく圧力振動
を、感度良く且つ高いSN比で検出することがで
きるので、微ノツクおよびノツキングの発生限界
をも正確に検出できるため、点火時期や燃料噴射
時期を正確に制御して、運転状態に応じた熱効
率、出力および燃費等の最適な内燃機関性能を得
ることができるという利点を有する。

上述の実施例により代表的例を説明したが、本
発明はこれらに限らず、必要に応じ種々の態様を
採用し得る。

すなわち第２実施例装置は、中空円筒体の圧電
素子をエンジンブロツクの外周壁に直角に配置し
たが、エンジンブロツクの外周壁からの機械的雑
音振動が有効に吸収されるのであれば、エンジン
ブロツク各気筒の軸に対して平行になるように中
空円筒体の圧電素子を配置してもよく、このよう
にすることにより燃焼室内に発生したノツキング
を一層感度良く検出することができる。

その他、本発明は特許請求の範囲に記載した精
神に反しない範囲で幾多の設計変更、付加変更が
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来装置を示す断面図、第２図は、
本発明の第１実施例のノツキング検出装置のエン
ジンへの取付態様を示す縦断面図、第３図は、同
第１実施例装置のエンジンへの取付態様を示す横
断面図、第４図は、同第１実施例装置を示す縦断
面図、第５図Ａは、本発明の第２実施例のノツキ
ング検出装置の受圧部を示す横断面図、第５図Ｂ
は、同第２実施例装置を示す縦断面図、第６図
は、本発明の第３実施例のノツキング検出装置を
示す縦断面図、第７図は、本発明の第４実施例の
ノツキング検出装置を示す縦断面図、および第８
図は、本発明の第５実施例のノツキング検出装置
を示す縦断面図である。 図中、１はシリンダブロツク、２は燃焼室、３
はシリンダライナ、４は水室、５はエンジンブロ
ツクの外周壁、１１はノツキング検出装置、１２
は受圧部、１３は筐体、１４は支持部材、１５は
コネクタを夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンジンブロツク内に燃焼室と水室とを隔壁
   を介して形成し、水室に冷却水通路を接続した水
   冷式の内燃機関において、 前記エンジンブロツクの外側壁に略直角に締着
   される環状部材よりなる筐体と、 該筐体に一端を液密に固着し、他端をエンジン
   ブロツクの外側壁から所定距離だけ突出させ、突
   出部先端が前記水室又は冷却水通路内の所定位置
   に位置する様にしたゴムまたは合成樹脂等の振動
   吸収材で構成した支持部材と、 該支持部材の突出部先端に互いに相反する方向
   を向くとともに、前記エンジンブロツクの外側壁
   に対して直角になる様に受圧面を配置し、燃焼室
   内で発生したノツキングを、前記隔壁を介して冷
   却水中に伝達されたノツキング音の水中圧力振動
   として前記受圧面に作用させ電気的信号の変化と
   して検出するようにした受圧部と、 前記支持部材内に介挿して受圧部に接続され受
   圧部が検出したノツキングに応じた電気的信号の
   変化をエンジンブロツク外に取り出すリード線と
   から成り、燃焼室内で発生したノツキングのみを
   水中圧力振動として有効に検出する様にしたこと
   を特徴とする内燃機関のノツキング検出装置。 ２ 前記受圧部の受圧面を圧電素子により構成
   し、受圧面に作用する圧力振動を電気的信号の変
   化として検出するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の内燃機関のノツキング
   検出装置。 ３ 前記受圧部の受圧面を、所定の厚さおよび面
   積に形成したノツキングの周波数域に対応する共
   振周波数を有する振動板により構成し、該振動板
   上に機電変換素子を配置する構成より成り、前記
   受圧面に作用したノツキング音による水中圧力振
   動に応じて振動板が機械的変化し、機電変換素子
   により前記振動板の機械的変化を電気的信号の変
   化として検出するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の内燃機関のノツキング
   検出装置。 ４ 前記エンジンブロツク内に複数の燃焼室を一
   列に形成した列型内燃機関において、 前記筐体を前記エンジンブロツクの長手方向の
   中央部の外側壁に締着し、前記受圧部の受圧面を
   直列に配列された各燃焼室を臨む方向に配設する
   構成より成り、いずれの燃焼室で発生するノツキ
   ングについても、ほぼ同等の感度で検出できるよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の内燃機関のノツキング検出装置。 ５ 前記受圧部の受圧面を、水の固有音響インピ
   ーダンスと受圧面を構成する圧電素子の固有音響
   インピーダンスとの中間の固有音響インピーダン
   スを有する膜で被覆し、ノツキング音の水中圧力
   振動の受圧面への伝達効率を高めたことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の内燃機関のノツ
   キング検出装置。