JP2826591B2 - 火花点火内燃機関のノッキング制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 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、燃焼途中における未燃焼部分の混合気が断熱圧
縮などによる温度上昇のために火炎の伝搬を待たず自己
着火し、一時に燃焼する。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MBT（Mini−mum Spark Advance for
Best 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（一点鎖線で示す）が通常の燃焼時
（破線で示す）に比べ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OH,HO₂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。従って、筒内圧の変化状況
から熱発生率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
する筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、 この筒内圧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 を提供するものである。

＜作用＞ 機関運転中に筒内圧検出手段によって筒内圧を検出す
る。そして、その検出信号を演算装置に送って熱発生率
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。

＜実 施 例＞ 以下、図面に基づき本発明の実施例を説明する。

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のほか筒
内圧検出手段としての筒内圧センサ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信
号を出力する。ECU9には、そ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。

第１実施例 第１図（ａ），（ｂ），（ｃ）には本発明の第１実施
例を示してある。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
示してある。

第１図（ａ）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、一点鎖線と実
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最適の値
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
｜θ₁₀₀−θ₀|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、ECU9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を用いて演算を行う。

dQ＝Ｇ・du＋Ａ・Ｐ・dV …（１） PV＝Ｇ・Ｒ・Ｔ …（３） 但し、Ｇは燃料ガス量、 Ａは仕事の熱当量、 Ｒは気体定数、 Gvは定容比熱、 ｋは比熱の比、 Ｔは絶対温度である。

（１），（２），（３）式より 従って、熱発生率（dQ/dθ）は以下の通りである。

ここで、燃焼行程（上死点〜上死点後50゜）では であるから、上式は次のように近似できる。

つまり、上記クランク角位相間の燃焼行程においては
熱発生率で近似できる。即ち、熱発生率は単位時間当た
りの熱量の変化量であり、圧縮上死点から圧縮上死点50
゜までのクランク角位相である燃焼行程にある場合、筒
内圧の１階微分で近似することができる。燃焼行程にお
いては、熱が発生する状態であり、かつ筒内圧が上昇過
程にあるため、筒内圧の１階微分値も熱発生率もともに
正の値となる。また、θ_０は筒内圧が最大値となるクラ
ンク角に相当する。

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
ツ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
（ａ）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（ｂ）に示すように、ECU9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θ₁₀₀と燃焼完了のクランク角
θ_０とに基づいて立下り時間｜θ₁₀₀−θ₀|を演算す
る。

次に、このようにして、算出された立下り時間｜θ
₁₀₀−θ₀|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｜θ₁₀₀−θ₀|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
焼制御手段へ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装置の電子装
置EGRバルブが使用される場合には平均開弁時間（デュ
ーティ比）を増大してEGR量を増量させ、さらに、過給
機付エンジンでウエ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｜θ₁₀₀−θ₀|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_N1
からあるクランク角θ_N2までの時間｜θ_N1−θ_N2|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｜θ_N1−θ_N2|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、
マップ化された値でも良い。

第２実施例 第２図（ａ），（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θ₉₀から最大値の10％の熱発生率を示すクランク角θ
₁₀までを検出領域として設定し、その立下り時間｜θ₉₀
−θ₁₀|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｜θ₉₀−θ₁₀|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θ
₁₀₀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θ₉₀,θ₁₀を検出して、熱
発生率の最大値を示すクランク角θ₁₀₀以後の上記立下
り時間｜θ₉₀−θ₁₀|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。

第３実施例 第３図（ａ），（ｂ）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θ₅₀から燃焼完了のクランク角θ_０までを
検出領域として設定し、その立下り時間｜θ₅₀−θ₀|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｜θ₅₀−θ₀|演算手段14B
において、熱発生率の最大値とその時のクランク角θ
₁₀₀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θ₅₀と燃焼完了のクランク角θ_０とを検出して、熱発
生率の最大値を示すクランク角θ₁₀₀以後の上記立下り
時間｜θ₅₀−θ₀|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。

第４実施例 第４図（ａ），（ｂ）には本発明の第４実施例を示
す。

これは、第３実施例に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θ₅₀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θ₁₀までを検出領域として設定し、
その立下り時間｜θ₅₀−θ₀|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｜θ₅₀−θ₀|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θ
₁₀₀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θ₅₀,θ₁₀を検出して、熱
発生率の最大値を示すクランク角θ₁₀₀以後の上記立下
り時間｜θ₅₀−θ₁₀|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。

第５実施例 第５図（ａ），（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（d²Q/dθ^２）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、ECU9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/dθ^２）
を筒内圧の２階微分で近似して求める（第５図（ｂ）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゜）では 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階微
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階微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ｉ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階微分演算手段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P_i-1を
読み出し、P_i-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dPi/dθとする。そして、ｉ
回時の筒内圧Piおよびその変化率dPi/dθをメモリ17に
記憶させる。この後、筒内圧２階微分演算手段19がメモ
リ17から１回前のdP_i-1/dθを読み出し、dP_i-1/dθとｉ
回時のdPi/dθの両者から、単位角度当りの変化率を演
算してd²Pi/dθ^２とする。d²Pi/dθ^２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階微分値により熱発
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θ
₁₀₀とを検出するとともに燃焼完了のクランク角θ_０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。

第６実施例 第６図（ａ），（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θ₁₀₀とを
検出することに加えて、熱発生率の最大値の50％（又は
この近傍）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θ₁₀₀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θ₅₀と燃
焼完了を示すクランク角θ_０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｜θ_ａ−θ_b|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ることが
望ましい。

＜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
ッキング防止装置によれば、筒内圧に基づいて演算され
る熱発生率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（ａ）はクランク角
と熱発生率との関係を示すグラフ、同図（ｂ）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
に係り、それぞれ各図（ａ）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（ａ）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階微分値を得るためのブロック図、同図
（ｂ）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
ウエアを示す簡略図である。 図中、 １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、 18は筒内圧１階微分演算手段、 19は筒内圧２階微分演算手段である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安東 弘光 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 三林 大介 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭56−54965（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−150056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−148937（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−136543（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−239339（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−182278（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−66451（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 45/00 F02P 5/15

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】火花点火内燃機関の燃焼室内の燃焼にとも
   なって変化する筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、 この筒内圧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。