JPH03188344A - 内燃機関の動作状態検出装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は内燃機関の動作状態検出装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 自動車に搭載される内燃機関においては、点火時期を最
大トルクを発生し得る点火時期（Ｍ、Ｂ、Ｔ、）まで進
角制御して燃費や出力性能が最良のものとなるように制
御する必要がある。しかしながら、自動車の走行条件や
内燃機関の運転状態に応じて最適点火時期が相異してお
り、例えば比較的低速回転域においてはノッキングが発
生する限界の点火時期がＭ、Ｂ、Ｔ、よりも遅れ側にあ
るため、点火時期をＭ、Ｂ、Ｔ、に設定するとノッキン
グが発生してしまい、燃費や出力性能が著しく低下して
しまう。

従って、内燃機関の異常動作、特にノンキングの発生を
正確に検出できる内燃機関の動作状態検出装置の開発が
強く要請されている。

従来、ノッキングを検出するセンサとして特公昭４１−
５１５４号公報に開示されている圧電素子を用いたセン
サが既知である。このセンサは、座金状の圧電素子が点
火プラグ内に装着され、燃焼室内に生ずる圧力変化が電
気信号に変換され、検出した電気信号から燃焼室内で発
生した圧力変化が検出されている。

さらに、別のノッキング検出装置としで、圧電素子で構
成される振動センサを用いるノッキング検出装置が既知
であり、振動センサからの電気信号を種々のフィルタ回
路を経てノンキングに相当する周波数成分の信号が検出
され、ノッキング判定回路を経てノッキングの発生が検
出されている。

（発明が解決しようとする課題） 上述した圧力センサや振動センサを用いるノンキング検
出装置は、センサをシリンダヘッドに固定し燃焼室内で
発生する圧力変化を検出しているため、シリンダヘッド
に発生する燃料の燃焼以外の振動も同時に検出してしま
い、Ｓ／Ｎ比が極めて悪くなる欠点があった。しかも、
振動センサや圧力センサは検出出力が電気信号として発
生し、この電気信号はシリンダヘッドの位置で発生する
ため、出力信号である電気信号を信号処理回路まで送出
する間においてノイズが発生し易く、著しく　Ｓ／Ｎ比
が低下する不都合が生じていた。このため、ノッキング
に相当する圧力や振動成分を取り出すために複雑な信号
処理が必要であり、処理回路が複雑化及び高価になる欠
点があった。さらに、複雑な信号処理が必要なため、信
号処理に長時間がかかってしまい、応答性が悪くなる不
都合も生じていた。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、内燃機
関の異常動作状態の発生特にノッキングの発生を、複雑
な信号処理を必要とせず簡単な構成で、しかも高精度に
検出できる内燃機関の動作状態検出装置を提供するもの
である。

（課題を解決するための手段） 本発明による内燃機関の動作状態検出装置は、内燃機関
の燃焼室内における熱流束に応じた光エネルギーを放射
する黒体放射体と、前記黒体放射体を先端に支持する耐
熱性光伝送体と、この光伝送体を、黒体放射体が燃焼室
内に位置するように支持する支持部材と、前記黒体放射
体から発生し、光伝送体を伝播する光エネルギーを受光
する光検出器と、前記光検出器からの出力信号に基いて
内燃機関の動作状態を検出する信号処理回路とを具える
ことを特徴とするものである。

（作　用） 点火式内燃機関における異常燃焼であるノッキングの発
生要因として種々の要因があり、例えば火災伝播面の前
方壁面付近で発生する自己着火や火災伝播速度の急増等
が考えられる。これらの現象は、いずれも正常な燃焼に
比べて短時間で終了する急速燃焼と考えることができ、
これらの要因により熱流束が急激に増大したり局所的熱
流束が増大する。すなわち、火炎伝播速度が急速に増大
し熱流束が急増したり、或いは燃焼室の壁面付近で局所
的熱流束が増大すると、燃焼室内に異常な圧力波が発生
し、この圧力波によって燃焼室壁部に圧力振動が生じ、
この圧力振動がノッキングとして検知される。ところで
燃焼によって発生する総熱量はノッキングの発生の有無
に拘わらず一定のものと考えることができる。そして、
ノッキングのない正常な燃焼状態においては点火プラグ
付近で発生した火炎は対向壁面に向けて相対的にゆっく
り伝播するから相対的に長時間に亘る安定燃焼が生じ、
ノッキング発生時には短時間で終了する急速燃焼が生じ
ていると考えることができる。

従って、発生した熱が燃焼室の壁部に放熱されることを
考慮すれば、正常燃焼においては相対的に度の熱流束が
発生するものと考えることができる。

従って燃焼により発生する熱流束の変化を検出すること
により内燃機関の動作状態を的確に検出することができ
る。

燃焼室内で発生する熱流束を検出するものとして第１図
に示す黒体放射体を利用したセンサが考えられる。耐熱
主光伝送体１の先端に黒体放射体２を形成し、この光伝
送体を支持部材３を介して燃焼室壁部４に装着する。燃
焼室５内で燃料ガスが燃焼してＱｇａｓの熱量が発生す
るものとする。この熱発生によってＱｇａｓ／Ａの熱流
束が発生し、この熱流束が黒体放射体の表面に到達する
。そして、熱流束の熱エネルギーが黒体放射体２に熱伝
達、し、黒体放射体は流入する熱流束に応じて昇温し、
黒体放射体自身の温度に応じた光エネルギーを放射する
。従って、所定の周波数の熱流束パルスが黒体放射体２
に入射するものと考えると、黒体放射体から同一周波数
の光エネルギーが放射されるものと考えることができる
。そして、放射された光エネルギーは光伝送体１を伝播
し外部に取り出される。従って、光伝送体１を伝播して
くる光エネルギーを受光し、この光エネルギーに基いて
黒体放射体２の温度の変化状態を求めることにより、各
燃焼サイクルで発生する熱流束の変化を検出することが
できる。

第２図は黒体放射体に高密度の熱流束パルス及び低密度
の熱流束パルスが入射したときの黒体放射体の温度変化
を模式的に示すグラフである。横軸は時間を示し縦軸は
黒体放射体の温度を示す。

また、実線は高密度熱流束パルスが入射したときの特性
を示し、破線は低密度の熱流束パルスが入射したときの
特性を示す。熱流束パルスが黒体放射体表面に到達した
とき、黒体放射体に伝達される熱量は、燃焼ガスの温度
とセンサの温度との間の温度差と熱伝達関数との積で規
定され、熱伝達関数は燃焼ガスの速度、圧力の関数と考
えることができるから、黒体放射体に伝達する熱量は、
熱流束に依存する。従って、高密度の熱流束パルスが入
射した場合、黒体放射体は急速に昇温し、短時間で高い
ピーク温度に到達する。一方、低密度の熱流束パルスが
入射した場合、黒体放射体は比較的ゆるやかに昇温し、
低いピーク温度を発生する。従って、黒体放射体の温度
変化の時間微分、ピーク温度、ピーク温度発生時間のい
ずれかを検出することにより燃焼によって発生する熱流
束密度、従ってノンキングの発生等の内燃機関の動作状
態を検出することができる。本発明はこのような認識に
基づくものであり、燃焼室内に黒体放射体を配置し、こ
の黒体放射体から放射される光エネルギーを光学的に検
出し、光検出器からの出力信号に基づいて内燃機関の動
作状態を検出する。

黒体放射体を利用した検出センサを用いる場合、黒体放
射体から放射される光エネルギーは、シリンダに生ずる
振動のような外部要因からの影響を全く受けないから、
簡単な信号処理回路により高精度でノッキングの発生を
検知することができる。

しかも、黒体放射体から放射された光エネルギーを、光
ファイバを用いることにより任意の位置まで伝播させる
ことができる利点が達成されると共に、伝送中に外部か
らのノイズの影響を受ける不都合も解消される。しかも
、黒体放射体を利用した光学式検出装置は、数１０ｋＨ
ｚの周波数応答性及び０．０１’Ｃの高分解能を有して
いるから、内燃機関が高速回転しても高精度な検出を行
うことができる。

（実施例） 第３図は本発明によるノッキング検出装置を具える４サ
イクルエンジンの一例の構成を示す線図である。シリン
ダヘッドに吸気弁１０、排気弁１１及び点火プラグ１２
を取り付ける。さらに、シリンダヘッドの壁部に、本発
明による検出装置のセンサ１３を先端の黒体放射体１４
が燃焼室内に位置するように装着する。このセンサの装
置位置は、黒体放射体１４がピストン１５の上死点付近
であって点火プラグ１２より遠く離れて位置するように
設定する。

このように黒体放射体を点火プラグより遠く離れた位置
に配置することにより、発生する熱流束の状態を正確に
検出することができる。

第４図は本発明による内燃機関の動作状態検出装置の全
体構成を示す線図である。シリンダヘッドの壁部２０を
貫通するようにセンサを装着し、センサの先端を燃焼室
２１内に突出させる。このセンサはサファイヤロッドで
構成される耐熱性ロッド状光伝送体２２を有し、その先
端部に黒体放射体２３を形成する。この黒体放射体２３
は、プラチナ、ロジウムのような光学的に不透明な高融
点材料を数μｍの厚さでスパッタリングすることにより
形成される。尚、黒体放射体２３がシリンダ壁面より５
跡以上突出するように配置する。けだし、５　ｍｍ以上
突出させることにより、壁面付近に存在する境界層の影
響を受けず、熱流束密度を正確に検出することができる
からである。光伝送体２２をステンレスのような金属材
料で構成される支持部材２４によって支持する。支持部
材２４の外周にネジ山を形成すると共にシリンダヘッド
の壁部２０にネジ溝を形成し、ワッシャ２５を介して支
持部材２４を壁部２０に螺合する。また、光コネクタ２
６を支持部材２４に螺着して光伝送体２２を光ファイバ
２７に光学的に結合する。点火プラグ１２が作動すると
、点火プラグ付近で火炎発生し、火炎が対向壁に向けて
伝播する。従って、黒体放射体２３には点火後量も時間
が遅れて火炎が到達することになる（第３図参照）。

火炎伝播に伴ない、燃焼ガスすなわち熱流束が黒体放射
体２３の表面に到達し、黒体放射体は発生する熱流束の
状態に応じて昇温する。黒体放射体２３は極めて熱容量
の小さい貴金属の蒸着膜で形成されているため、熱流束
に対して極めて高速に応答する。黒体放射体２３が昇温
すると、黒体放射体から熱流束に対応した強度の光エネ
ルギーが発生し、発生した光エネルギーはロッド状光伝
送体２２及び光ファイバ２７を伝播する。光ファイバ２
７の出射側にレンズ２８、フィルタ２９およびレンズ３
０を配置し、伝播してくる光のうち特定の波長光を光検
出器３１に入射させる。前述したように、黒体放射体２
３は発生する熱流束に応じた強度の光エネルギーを放射
するから、光検出器３１は発生する熱流束すなわち燃焼
室内における燃焼状態を表わす電気信号を発生する。こ
の電気信号を増幅器２３によって増幅してから信号処理
回路に供給する。

次に、上述した検出装置を用いて内燃機関の動体状態を
測定した実験結果について説明する。

実験条件は以下の通りである。

１）使用した内燃機関：排気量５００　ｃｃの単気筒エ
ンジン ２）回転数：　１５００ｒ、ｐ、ｍ。

３）エンジンの動作状態は、ガソリンのオクタン価及び
点火角を変えて正常動作状態、軽度のノンキング発生状
態及び重度のノッキング発生状態の３種類の動作状態と
した。

（ｉ）正常動作状態 オクタン価：　１００ 点火角ニー８゜ 圧縮費＝７．６ （ｉｉ）軽度のノッキング発生状態 オクタン価：　１００ 点火角ニー１５゜ 圧縮費ニア、０ （ｊｉ）重度のノッキング発生状態 オクタン価：８０ 点火角ニー１５゜ 圧縮費ニア、０ ４）増幅された光検出器からの出力信号を演算処理して
黒体放射体の温度に対応した温度信号を出力すると共に
、この温度信号を時間微分して微分出力信号を発生し、
並行してエンジンブロックに圧力センサを装着してエン
ジンブロックで発生した圧力振動も測定した。また、ク
ランク角検出センサからのデータも併せて測定した。

第５図ａは正常動作時の測定結果を示し、第５図すはノ
ンキング音を聴取できない程度の軽度のノッキング発生
時の測定結果を示し、第５図Ｃはノッキング音が聴取で
きる重度のノッキング発生時の測定結果を示す。第５図
ａ　−ｃにおいて、最上段に検出圧力（相対値）を示し
、中段に検出した温度（相対値）を示し、下段に温度信
号の微分出力値（相対値）を示し、横軸はクランク角度
を示す。第５図ａに示す正常動作状態において、測定圧
力は、点火後クランク角１５°の付近から徐々にゆるや
かに上昇してピーク圧力に達し、その後ゆるやかに減少
している。また、黒体放射体の温度も圧力と同様にゆる
やかに上昇してピーク温度に到達し、その後ゆるやかに
降温している。また、温度の時間微分もゆるやかに上昇
し、ピークに到達した後ゆるやかに減少している。第５
図すに示す軽度のノッキング発生状態においては、圧力
曲線のピーク圧力付近からノッキング特有の高周波圧力
振動が発生している。黒体放射体の温度はやや象、上昇
する傾向にあり、温度のピーク値は正常動作状態に比べ
て２．４倍に達している。さらに、温度の時間微分にも
ピークが発生している。第５図Ｃに示す重度のノッキン
グが発生している動作状態においては、ピーク圧力付近
からノンキング特有の強い高周波圧力振動が検出された
。また１、黒体温度も急激な昇温特性を示し、温度のピ
ークは正常動作時に比べて４．５倍に達している。さら
に、温度の時間微分も強いピークが発生した。これらの
実験結果を表１に示す。尚、計測値は相対強度であるた
め、正常動作時の計測値を１として相対強度を以て表示
する。

表　　１ 表１に示す実験結果より明らかなように、ノンキングの
強度が強くなるに従ってピーク温度も増太し、温度の時
間微分もノッキング強度に従って急激に増大している。

従って、燃焼室内に配置した黒体放射体のピーク温度及
び温度の時間微分のいずれかを検出することにより、ノ
ッキングの発生及び発生したノッキングの強度を検出す
ることができる。さらに、前述したように、エンジンの
動作状態は温度の時間微分のピーク発生タイミングの変
化としても現れるから、この微分のピークの発生タイミ
ングからノッキングの発生を検出することもできる。尚
、光検出器からの出力信号のピーク値は黒体放射体の最
高温度と相関しているから、光検出器からの出力信号の
ピーク値はノッキング強度を表し、従って出力ピークを
そのまま検出信号として利用することができる。同様に
、光検出器からの出力信号を時間微分した微分信号もノ
ンキング強度と相関関係を有しているから、微分信号の
ピーク値をそのまま検出信号として利用することができ
る。

第６図は本発明によるノッキング検出装置の処理回路の
一例の構成を示す回路図である。光検出器３１からの出
力信号を増幅器３２で増幅し、コンデンサＣ及び抵抗Ｒ
から成るバイパスフィルタ４０を通過させ、０．０１　
ｆｉｚ程度の低周波成分をカットする。これにより、ベ
ースレベルの変動分がカットされた黒体放射体のピーク
温度を指示する信号が得られる。この信号をＡ、Ｇ、Ｃ
，回路（自動利得制御回路）に供給し、その出力を比較
器４２に供給する。

比較器４２の他方の入力端子にＡ、Ｇ、Ｃ，回路４１に
入力する信号を供給して、これらの信号を比較する。

Ａ、Ｇ、Ｃ，回路４１の出力信号は基準出力となるから
、バイパスフィルタ４０からの出力信号がＡ、Ｇ、Ｃ，
回路の出力信号より大きい場合、ノッキングの発生を検
知できる。また、増幅器３２の出力を微分回路４３に供
給して時間微分した信号を発生させ、この微分信号を比
較器４４に供給して基準限界値と比較する。微分信号が
限界値を超えた場合ノッキングの発生が検知される。さ
らに、微分回路４３から出力される微分信号をピーク検
出回路４５に供給し、クランク角検出センサ４６からの
角度信号に基づいて微分信号のピークが発生するタイミ
ングを検出し、この出力信号をタイミング比較回路４７
に供給して点火角検出センサ４８で検出した点火タイミ
ングと比較する。この比較結果を比較器４９に供給して
限界値と比較し、微分ピークが所定の限界値より速く発
生した場合ノッキングの発生を検知する。このように構
成すれば、簡単な回路構成でノッキングの発生を容易に
検知することができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や
変更が可能である。例えば上述した実施例では内燃期間
の異常動作状態としてノッキングをあげたが、ノンキン
グだけに限定されず点火タイミングの異常動作等も検出
することができる。

特に、点火タイミングが早すぎるとノッキングと同様に
黒体放射体の温度ピーク及び温度の微分ピークも増大す
るから、同一の回路構成で容易に検出できる。

さらに、上述した実施例では、限界値と比較することに
よりノッキングの発生を検知したが、光検出器からの出
力信号のピーク値又は光検出器からの出力信号の時間微
分のピーク値を用いて点火プラグを駆動する点火信号の
発生タイミングを制御することもできる。

（発明の効果） 以上説明した本発明の効果を要約すると次の通りである
。

（１）燃焼室　内に黒体放射体を配置し、黒体放射体か
ら放射される光エネルギーを光伝送体を介して外部から
観測して燃焼状態を検出しているので、外部要因による
影響をほとんど受けず内燃機関の動作状態を正確に検出
することができる。特に、異常動作であるノッキングの
発生時には、熱流束が急増し黒体放射体から放射される
光エネルギーも急激に増大するため、聴取できない程度
の軽度のノッキングが発生してもノッキングの発生を明
確に検出することができる。

（２）内燃機関の異常動作の程度例えばノッキングの強
度は、光検出器からの出力強度及び光検出器からの出力
信号の時間微分のピーク値と対応しているから、これら
の出力信号に基いて点火時期を自動的に制御することが
できる。

（３）検出センサ、圧力センサや振動センサと異なり可
動部分を有していないから、ノイズの影響を受けにくく
信幀性耐久性に優れた動作状態検出を実現することがで
きる。

（４）黒体放射体を利用した検出センサを用いているの
で、エンジンに生ずる機械的な振動だけでなく電場及び
磁場の影響も全く受けないので、−層ノイズの少ない高
精度のノッキング検出を行うことができる。さらに、黒
体放射体を利用した検出センサは、数１０Ｋｈｚの周波
数応答性を有しているから、高精度のノッキング検出を
行なうことができる。

（５）黒体放射体は光学的に不透明な高融点材料被膜で
構成できるので、燃焼によって発生するスス等の付着に
よる影響をほとんど受けず、耐久性に優れた動作状態検
出装置を実現することができる。

（６）光学式温度センサを用いれば、黒体放射体から放
射された光エネルギーを検出信号としているので、光フ
ァイバを用いて検出信号を任意の位置まで伝送すること
ができ、しかも伝送中に外部からの要因によって影響を
受けないので、−層Ｓ／Ｎ比の高いノッキング検出を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は黒体放射体を利用した検出センサによって燃焼
室内で発生した熱流束の状態を検出する構成を模式的に
示す線図、 第２図は黒体放射体の表面に熱流束が到達したときの黒
体放射体の昇温状態を模式的に示すグラフ、 第３図は本発明による検出センサを備える４サイクルエ
ンジンの一例の構成を示す線図、第４図は本発明による
内燃機関の動作状態検出装置の構成を示す線図、 第５図ａ　−ｃは各種動作状態における圧力特性、温度
特性及び時間微分特性を示すグラフ、第６図は異常動作
検出回路の一例の構成を示す回路図である。 ２０・・・シリンダ壁部　　　２１・・・燃焼室２２・
・・光伝送体 ２４・・・支持部材 ２７・・・光ファイバ ２３・・・黒体放射体 ２６・・・光コネクタ ３１・・・光検出器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の燃焼室内における熱流束に応じた光エネ
   ルギーを放射する黒体放射体と、 前記黒体放射体を先端に支持する耐熱性光 伝送体と、 この光伝送体を、黒体放射体が燃焼室内に 位置するように支持する支持部材と、 前記黒体放射体から発生し、光伝送体を伝 播する光エネルギーを受光する光検出器と、前記光検出
   器からの出力信号に基いて内燃 機関の動作状態を検出する信号処理回路とを具えること
   を特徴とする内燃機関の動作状態検出装置。 ２、前記黒体放射体が、燃焼室の壁面より５ｍｍ以上内
   部空間に向けて突出配置されていることを特徴とする請
   求項１に記載の内燃機関の動作状態検出装置。 ３、前記信号処理回路が、光検出器の出力信号のピーク
   値を求め、求めたピーク値に基いて燃焼室内で発生する
   熱流束の状態を検出することを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の内燃機関の動作状態検出装置。 ４、前記信号処理回路が、光検出器の出力信号の時間微
   分を求め、時間微分出力に基いて燃焼室内で発生する熱
   流束の状態を検出することを特徴とする請求項１又は２
   に記載の内燃機関の動作状態検出装置。 ５、前記信号処理回路が、時間微分のピーク発生タイミ
   ングを検出し、このピーク発生タイミングに基いて燃焼
   室内における熱流束の状態を検出することを特徴とする
   請求項４に記載の内燃機関の動作状態検出装置。 ６、前記黒体放射体を、内燃機関のピストンの上死点付
   近であって点火プラグより遠い位置に配置したことを特
   徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の内
   燃機関の動作状態検出装置。