JPS604824A - ノツク検出装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、エンジンのノック検出装置に関する。

（従来技術） 従来のノック検出装置としては、例えば第■、２図に示
すようなもの（Ｓ　Ａ　Ｅ　ｐａｐｅｒ　７０００６１
号参照）がある。第１図において、ｌはシリンダ２の形
成されたシリンダブロックであり、シリンダ２内にはピ
ストン３が摺動可能に挿入されている。シリンダブロッ
ク１の上端にはシリンダヘッド４が固締されており、こ
れらシリンダブロック１、ピストン３およびシリンダヘ
ッド４は燃焼室５を画成している。シリンダヘッド４に
は吸気バルブ６を介して燃焼室５に連通ずる吸気通路７
が形成されており、また、燃焼室５内の混合気に点火す
る点火プラグ８が取イ」けられている。そして、シリン
ダブロック１には燃焼室５内で発生するノックの振動を
検出するノックセンサ９が取付けられており、ノックセ
ンサ９はノック振動を電気信号に変換して第２図に示す
バンドパスフィルタ１０に出力している。バンドパスフ
ィルタ１０は６ＫＨｚのフィルタであり、約６　Ｋ　＋
ｌｚの周波数をもったノック信号だけを検出している。

このように６ＫＨｚ付近のノック振動をヰ★出している
のは、従来からノツクの判定は聴感上の基準により行わ
れており人間は４　Ｋ　ｆｉｚの音が最も聞こえ易く、
周波数が高くなるに従って聞こえにくくなるため、この
周波数付近でピークになるノック振動数でノック振動を
検出している。バンドパスフィルタ１０からのノック信
号はコンパレータ１１に直接入力されるとともに整流回
路１２および平滑回路１３を介してコンパレータ１１に
入力されており、コンパレータ１１はこれら２人力信号
を比較してノック発生の有無を判断し、ノックが発生し
ているとき、所定値の電圧信号を出力している。コンパ
レータ１１からの信号は積分器１４に入力され、積分器
１４はノック発生頻度に応じた電圧信号を点火回路１５
に出力する。点火回路１５は積分器１４からの電圧信号
の大きさに応じて点火プラグ８の点火時期を調整してお
り、ノックが発生ずると点火時期を遅らせてノックの発
生を回避している。

しかしながら、このような従来のノック検出装置にあっ
ては、６　Ｋ　Ｈｚ付近の周波数のノック振動に基づい
てパックの発生を検出する構成となっていたため、シリ
ンダ（燃焼室）内のどの場所でノックが発生するかに−
よりパック振動を検出することができたり、できなかっ
たりし、確実にノックの発生を検出することができない
という問題点があった。

すなわち、約６ＫＨｚ付近は、通常のエンジンにおいて
は、ノックの固有振動モードのうち周モード（シリンダ
の周方向のモード）が１次で径モード（シリンダの径方
向のモード）が０次の振動数であり、このモードの振動
はシリンダの周方向に節ができ、ノックの発生場所によ
っては、ノックセンサがこの節に位置釘ることがある。

ノックセンサが節に位置すると、振動レー・ルが零であ
り、ノックを検出できないこととなる。

これをもう少し詳しく説明すると、波動は、一般に波動
方程式で表され、これをｐを圧力、ρを密度、■を速度
としたときに、ｐ−一ρ弱、ｖ　＝　ｇｒａｄψとなる
速度ポテンシャルψで表わす但し、Ｃは音速 ここで、速度ポテンシャルψを８周ｆ口１辰動としてψ
＝ψｏ８−入元　−−−−−（２、 但し、ωは角振動数 とおくと、ｔｌｊ式は 数となる。

今、燃焼室内ガスを円柱にみたてて（３）式を円Ｉｆ座
標に変換すると、 ３巳又ｐ十ル己ψ、−ｏ　、−・−（４））ヌユ 但し、ｒはシリンダの径方向でｒ＝０〜繋（Ｂはシリン
ダの直径）、ｙＬまシ’Ｊンタ゛の周方向でψ−０〜２
πである。

一般に、燃焼室内の高さはシリンダ゛のｉ蚤ＢＧこ文１
して小さいので、Ｚ方向（シＩＪンタ゛の軸方向）の成
分を無視し、速度ポテンシャルψ０をｊ５１Ｈ方向の成
分Ｒ（ｒ）と周方向の成分θ（ψ）の２つの調和振動で
表すと、 ψｏ　＝ＡＲ（ｒ）θ（Ｉ／）　−−−（５１但し、Ａ
は定数 となり、この（５）式を（４）式に代入してイ更宜上定
数ｍを用いて整理すると次式のようになる。

（６）式からＲ（ｒ）　、θ　（１／）　ｂよ独立ｆど
力１らそれぞれ次の関係を満たす。

Ｙ：Ｌ、、）、／；！（ｒ）＋、？　＋（ｆｌ−ｍつＱ
（Ｆ−）＝Ｄ　−−−−−ｔ８、（７）式から次の条件
がまる。

また、（８）式はベッセルの微分方程表であり、ｒ−〇
では燃焼ガスの出入りはないから、解はｍ次の第１種ヘ
ソセル関数Ｊｍ（ｋｒ）になり、次の条件がまる。

１′ｍ（墾）＝　０−−−−　（１１）となる。

したがっζ、燃焼室内ガスの振動モードは速度ポテンシ
ャルψ０を使って（５）式に（９）、００）式を代入し
、次式で示される。

ψｏ　＝ＡＪｍ　（’ｋ　ｒ）　ｓｉｎ　（ｍ＋／＋ψ
０）−−−（１２＞ 但し、ｍ＝Ｑ、１．２．３、−−−−一−のように示さ
れる。また、波数にはに＝　ｗ　＝ｘｘｆであるから、
ノック振動による燃焼室内ガスの固有振動数ｆｃばシリ
ンダ径Ｂを使って次式で与えられる。

工−−−（１３） ｆｃ−３ｍ　ｎ　−に＋Ｂ なお、燃焼ガスの音速Ｃは、次式（１４）で示すように
、燃焼ガスの平均温度Ｔだけで決り、Ｃ＝Ｃｏ石ｉ−−
一−−・（１４） ここで、Ｔ　ｏ　＝３００　”　Ｋ、　Ｇ　ｏ　＝３４
４　ｍ／Ｊ燃焼ガスの平均温度Ｔは次式（１５）よりめ
ることができる。

１）■＝ＧＲＴ−−−−　（１５） ここで、Ｐ：圧力、■＝体積、Ｇ：ガス重量、Ｒ：ガス
定数、Ｔ：燃焼ガスの平均温度、例えば、１８００ｃｃ
、４気筒（シリンダ径８３龍）のエンジンについてノッ
クの固有振動数をめてみる。

このコーンジンの場合、Ｔ　＝　２５００°Ｋになり、
（１４）式よりＣ＝９９０ｍ／８　となる。したがって
、口２．、ζ、、、ζ９の各モードについて固有振動数
をめると、別表１およびＣ＝９９０ｍ々　、式（１３）
より次のようになる。

ｋＱ、、　）　＝７．ＯＫｌ（ｚ ｆｃｃ３ｗ　）　−１１，６Ｋ　ｌ１ｚｋｃ５　ｂｏ　
）　＝　１４．５Ｋ　Ｈｚそして、この計算結果は、第
３図ａに示す実測値（図中実線はノック発生時を示し、
破線はノック発生していないときを示している。）であ
るノックの固有振動の周波数スペクトラムとほぼ一致し
ている。また、各モードに対するシリンダ内の節の生成
状態は、第４図のようになる。

なお、第４図中数値はζｍｎの値である。

すなわち、従来例においてノックセンサとハ゛ンドバス
フィルタで検出していた約６ＫＩＩｚ（４近の振動はζ
、Ｄのモードの振動であることがわかる。そして、ζ、
Ｄのモードの振動、すなわち周１次で径０次のモードの
振動は、第３図すに示すように、シリンダの周方向に節
を有しており、ノックの発生場所およびノックセンサの
取付は位置によっては、ノックセンサがこの節に位置す
ることがある。なお、第３図す中【、■、■は第３図ａ
中■、■、■の周波数に対応するものである。この場合
、節においてノック振動の振幅は零であるから、ノック
センサはノック振動を検出できない。すなわち周方向が
１次以」二のモードの振動を検出している限り、ノック
を検出できない場合があり、確実にノックの発生を検出
することができないという問題点があった。

（発明の目的） そこで、本発明は、ノックの固有振動モードのうちシリ
ンダの周方向のモードが０次の振動を検出することによ
り、確実にノックの発生を検出することを目的としてい
る。

（発明の構成） 本発明のノック検出装置はエンジンのシリンダ内で発生
するノック振動を検出するノック検出手段と、ノック振
動のうち所定の振動数を検出する振動選別手段と、所定
振動数の振動レベルからノックの大きさを判別するノッ
ク判別手段と、を備えたノック検出装置において、前記
振動選別手段がノックの固有振動モードのうち、シリン
ダの周方向のモードが０次である振動数を検出するもの
とすることにより、ノックの発生を確実に検出するもの
である。

（実施例） 以下、図面に従って本発明の詳細な説明する。

第５〜７図は本発明の一実施例を示す図である。

まず、構成を説明すると、第５図において、１はシリン
ダ２の形成されたシリンダブロックであり、シリンダ２
内にはピストン３が摺動可能に挿入されている。シリン
ダブロック１の上端にはシリンダヘッド４が固締されて
おり、これらシリンダブロック１、ピストン３およびシ
リンダへソド４は燃焼室５を画成している。シリンダヘ
ッド４には吸気バルブ６を介して燃焼室５に連通ずる吸
気通路７が形成されており、また、燃焼室５内の混合気
に点火する点火プラグ８が取付けられている。そして、
シリンダブロック１には燃焼室５内で発生ずるノックの
振動を検出するノックセンサ（ノック検出手段）９が取
付けられており、ノックセンサ９はシリンダ２内で発生
するノック振動を電気信号に変換して、第６図に示すバ
ンドパスフィルタ（振動選別手段）２１に出力している
。バンドパスフィルタ２１は、シリンダ２内で発生する
ノックの固有振動モードのうちシリンダの周方向のモー
ト　（周モード）が０次で、かつ、シリンダの径方向の
モード（径モード）が０次である振動数ｆｃ（ζｏｏ）
のみを通過させるように設定されており、このモードζ
Ｏｏの振動数は、エンジンの種類によって異なるが、１
８００ｃｃ、　４気筒エンジンの場合、前述のように、
１５に＋ｌｚであるので、バンドパスフィルタ２１は１
５ＫＨｚに設定されている。バンドパスフィルタ２１は
１５Ｋｔ（ｚ±２ＫＨｚの周波数のノック信号のみをコ
ンパレータ１１に直接出力するとともに、整流回路１２
および平滑回路Ｉ３を介してコンパレーク１１に出力し
ており、コンパレータ１１はこれら２人力信号を比較し
てノック発生の有無を判断し、ノックが発生していると
き、所定値の電圧信号を積分器１４に出力している。積
分器１４はコンパレータ１１からの信号に基づいてノッ
ク発生頻度を演算し、ノック発生頻度に対応した電圧信
号を点火回路１５に出力する。点火回路１５は積分器１
４からの電圧信号の大きさに応じて点火プラグ８の点火
時期を調整しており、ノックが発生すると、点火時期を
遅らせてノックの発生を回避している。なお、上記整流
回路１２、平滑回路１３およびコンパレータ１１は所定
振動数のレベルからノックの大きさを判別するノック判
別手段２２を構成している。

次に作用を説明する。

シリンダ２内で発生するノックはその発生場所がシリン
ダ２内で一定していない。例えば、第７図上段のＮ、の
位置でノックが発生した場合、ノックセンサ９の取付は
位置にモードζ。

の振動の節（第７図中シリンダ２内に実線で表示）がで
き、ノックセンサ９ではモードぐいの振動は検出できな
い。しかしながら、本実施例にあっては、バンドパスフ
ィルタ２１をこのエンジンのモードζｏｏのノック振動
数に設定しであるため、モードζ００のノック振動を検
出できる。

そして、このモードζｏｏの振動はシリンダ２内に節を
生じないため、ノックがどの位置で発生しても、また、
ノックセンサ９をどの位置に取付けても常に確実にノッ
クの発生を検出することができる。したがって、第７図
下段のＮ２の位置でノックが発生した場合においてもノ
ックの発生を確実に検出することができる。第７図中ω
１、ω２、ω３、ω−はノックセンサ９で検出する各モ
ードζ。、ζ００のノック振動の波形である。

なお、上記実施例においては、ノックセンサに１５Ｋｌ
（ｚ付近で共振点をもったセンサを使用してバンドパス
フィルタを省略してもよく、この場合ノックセンサがノ
ック検出手段と振動選別手段を兼ね備えることとなる。

また、このよ・うなノックセンサを使用した上に、さら
に、バンドパスフィルタを使用してもよいことは言うま
でもない。

第８．９図は本発明の他の実施例を示す図である。

第８図において、３１は点火プラグ８の座金８ａとシリ
ンダヘッド４との間に配設された筒内圧センサ（ノック
検出手段）であり、筒内圧センサ３Ｉは圧電素子で構成
され、シリンダ２　（燃焼室５）内の圧力変化を電圧信
号に変換してバンドパスフィルタ２Ｉに出力している。

したがって、本実施例においても、モードζ。において
は検出できないときでも、第９図に示すように、モード
ζｏｏの振動を検出しているため、ノックの発生を富に
確実に検出することができる。なお、第９図中Ｎ３、Ｎ
′、ｌはノック発生場所を示し、ω５〜ω８筒内圧セン
ーＩＪ−３１で検出するノック振動の波形を示している
。

なお、上記各実施例は周０次、径０次のモードの振動を
検出するようにしたが、周方向のモードが０次であれば
、径方向のモードは０次でなくてもよいが、ただ、振動
数が高くなる。

（効果） 本発明によれば、シリンダの周方向のモードが０次の振
動を検出することができるので、　・ノックの発生位置
やノックセンサの取付位置にかかわらず、當にノックの
発生を確実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】 第１．２図は従来のノック検出装置を示す図であり、第
１図は、そのノックセンサの取付りられたエンジンの断
面図、第２図はその全体構成図、第３図はエンジンの振
動の実測値を示す図であり、第３図ａはそのシリンダ内
圧の固有振動の周波数スベク１−ラム、第３図すは第３
図ａのピークレベルにおりる固有振動モードにお番ノる
シリンダ内の節の生成状態を模式的に示す図、第４図は
ノックの各固有振動モードにおけるシリンダ内の節の生
成状態を模式的に示す図、第５〜７図は本発明のノック
検出装置の一実施例を示す図であり、第５図はそのノッ
クセンサの取付けられたエンジンの断面図、第６図はそ
の全体構成図、第７図はその作用説明図、第８．９図は
本発明のノック検出装置の他の実施例を示す図であり、
第８図はその全体構成図、第９図はその作用説明図であ
る。 ２−−−−−シリンダ、 ９．３１−−−−ノック検出手段、 ２１−−−−−振動選別手段、 ２２−−・−ノック判別手段。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人弁理士　有我軍一部 別ＪＪｔｘ 第３図 【工）　（ＴＬ）　（Ｓ） 第４図 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンのシリンダ内で発生するノック振動を検出する
   ノック検出手段と、ノック振動のうち所定の振動数を検
   出する振動選別手段と、所定振動数の振動レベルからノ
   ックの大きさを判別するノック判別手段と、を備えたノ
   ック検出装置において、前記振動選別手段がノックの固
   有振動モードのうち、シリンダの周方向のモードが０次
   である振動数を検出することを特徴とするノック検出装
   置。