JPS6148649B2 - - 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（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）の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。

さらには、前述の高調波の周波数成分は、回転
数負荷等の機関条件の外に、各サイクル毎の燃焼
変動によつても微妙に変化し、ある特定の周波数
にのみ生じるというものではなく、周波数帯に分
布して生じる。

従来、この種の検出器としては、ノツキングの
周波数帯内で共振する振動系を用いて、ノツキン
グの有無を検出していた。このため共振点近傍の
特定周波数に対し、検出感度が大幅に改善され、
他周波数の振動ノイズは乗りにくくノツキングに
対するＳ／Ｎ比、感度とも大幅に向上する長所が
ある。しかし、共振はその程度（共振の尖鋭度
Ｑ）が高くなれば必然に検知周波数幅が狭くなる
欠点も合せ持つており、Ｑが高いほど、共振周波
数のずれや燃焼に応じ変化するノツキング周波数
の少しのずれによりノツキング検出ができにくく
なる。

つまり理想的なノツキング検出器はノツキング
の発生する全周波数帯内でＳ／Ｎ比がよく、しか
も平坦な周波数特性をもつものが要求されること
になる。

そこで本発明は上記の点に鑑み、振動系を構成
する振動体の固定端において少なくとも一部を弾
性体により弾性的に固定することにより、振動体
の長さを等価的に可変とし、ノツキングの発生周
波数付近で平坦な周波数特性をもつノツキング検
出器を供給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所定クランク角度に
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のセンサの
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を有無を検出して
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
御装置４ではこのノツキングの有無に従つて点火
時期を進遅角させる。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
図は本発明を原理的に示したものである。第２図
ａに示すのは従来の方式によるもので、振動体２
１の一端をその固定部がたわまないように強固に
固定するもので、振動体２１の有効振動長は一定
であり、その周波数特性を模式的に表わすと同図
ｃの実線で示すａのようになる。一方、本発明の
同図ｂの如く、ゴム等の弾性体２２０ａ，２２０
ｂをはさんで弾性的に固定する方式によれば、振
動体２１の有効振動長は等価的に可変となり、弾
性体のダンパー作用とあいまつて、その周波数特
性は同図ｃの破線ｂで示す如く、共振の半値幅は
従来方式に比べて著しく増大する。

第３図に磁気検出方式のノツキング検出器に本
発明を適用した第１実施例を示す。同図において
２１ａはノツキング周波数５〜10KHz又は10〜
13KHz内で共振する磁性材料、例えば鉄、鉄−ニ
ツケル合金等の磁性体製の振動体（以下リードと
呼ぶ）である。このリード２１ａは平板を切り抜
き又は打ち抜き加工してあり、共振特性はその形
状、厚さｈ、長さ（支点からの等価的長さ）材
質により決定される。周波数は共振周波数_０∝
ｈ／^２によりほぼ定まる。２２は磁力を有する
マグネツト、２３はリード２１ａとマグネツト２
２とから磁路を形成する鉄、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２１ａ、コア２３間にギヤツ
プＧが設けてある。従つて、リード２１ａ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２４ａ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２４ａ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る。

振動体２１ａはその固定端において、一部は固
定部をなすマグネツト２２とおさえ棒２６とによ
つて強固に固定され、また、その一部は例えばゴ
ム等の弾性体２２０ａ，２２０ｂにより弾性的に
固定される。おさえ棒２６，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２１の一
端、マグネツト２２、およびコア２３がビス２１
１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。なお、
弾性体２２０ａ，２２０ｂはマグネツト２２とお
さえ棒２６とに設けた切欠き内に圧縮して収納し
てある。

２１３はハウジング２５にゴム等のシール材２
１４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。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２１ａに伝えられ、リード２１ａは一端
が固定されていることにより、この振動の周波数
強さに応じて振動するが、特に、リード２１ａの
固有振動数付近の周波数成分をもつ加振力には大
きく応答する。あらかじめ、このリード２１ａの
固有振動数はノツキングの発生周波数帯域内に設
定してある。

この時、コア２３、コイル２４、マグネツト２
２はハウジング２５と一体となつて振動すべく強
固に固定されているので、リード２１ａのみが相
対的にノツク振動に対応して振動し、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２１ａ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、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２１ａの固定端は弾性体２２
０ａ，２２０ｂにより一部を弾性的に固定してい
るため、リード２１ａの長さは振動強度により等
価的に可変となり、ダンパ効果とあいまつて出振
はなだらかに生じる。すなわち、共振の半値幅は
単に強固に固定する場合に比べて著しく増大し、
従つて、ノツキングの検出可能な周波数帯域幅も
著しく増大する。この例に示す材質はいずれも強
度的に自動車用として十分な耐久力があり、検出
器全体の耐震性、耐久性に優れている。

第４図にはさらにノツキングの検出可能な周波
数帯域を拡大する第２実施例を示す。リード２１
は本例では３本の振動可能なリード片２１ｂ，２
１ｃ，２１ｄに分岐され、それぞれの長さは少し
ずつ異つているため、それぞれの固有振動数すな
わち共振周波数も少しずつ異なり、独立に共振可
能である。ゆえに、どのリード片２１ｂ〜２１ｄ
が共振してもひとつの磁路内の磁束変化はコイル
２４により電圧変化として検出可能であり、その
出力特性を横軸に周波数をとり縦軸に出力電圧比
をとつた第４図ｃの実線で示す。この検出器に弾
性体２２０ａ，２２０ｂを使用することにより同
図ｃの破線のごとくさらにノツキング検出可能な
周波数帯域幅は増大する。

以上の実施例においては、振動体の一端のみ一
部を弾性的に固定したが、第５図に示す第３実施
例の如くリード２１の両端の一部を弾性体２２０
ａ，２２０a′，２２０ｂ，２２０b′により弾性的
に固定し、リード２１の中央部で磁束の変化を検
出するようにしてもよい。この場合、リード２１
は両端がおさえ棒２６ａ，２６ｂにて固定される
ため、両端固定の振動モードとなり、リード２１
の中央部で磁束の変化が検出される。この場合
は、コア２３ａに２つの検出コイル２４ａ，２４
ｂが巻線され、この各コイル２４ａ，２４ｂは直
列に接続され感度の増大をめざす。つまり、複数
の支点を持つ振動体に応用しても、その効果には
原理的に差はない。

なお、上記各実施例において、マグネツトの代
わりに直流電源により通電されることにより電磁
石となる励磁用コイルを用いることも可能であ
り、また検出コイルの代わりに磁気抵抗素子等の
磁気感応素子を用いることもできる。

さらに、先の各実施例では振動体として磁性材
料のリードを使用したが、振動体の材質について
も共振周波数がノツキングの発生周波数帯域内に
実現可能であれば特に限定されるものではない。
第６図に圧電素子を用いた場合の第４実施例を示
す。２１ｅ，２１ｆはそれぞれ固定端よりの長さ
が若干異なる２つの圧電素子２１ｇ，２１ｈ間に
中心電極２１ｆをはさみ装着させたバイモルフ型
と呼ばれる２個の圧電型の振動体である。各振動
体２１ｅ，２１ｆは凹部を設けたセラミツク、ベ
ーク等の２つの絶縁体２６ｃ，２６ｄの間に、上
下の圧電素子２１ｇ，２１ｈを継ぐ外側電極２１
ｊ、さらには弾性体２２０ｃ，２２０ｄとともに
振動体２１ｅ，２１ｆをはさみ、ビス２１０ａに
より金属製のハウジング２５に強固にビス止めす
る。本例では固定端の全面を弾性体２２０ｃ，２
２０ｄにより弾性的に固定することになる。

一方の振動体２１ｅの中心電極２１ｉと外側電
極２１ｊは出力端子としてリード線２１２ａを通
して電極２本をガラスにより絶縁して構成した密
封用端子２３０（通常ハーメテイツクシールと呼
ばれる）の各電極に接続されて出力される。ノツ
キングの振動によりバイモルフ型の振動体２１
ｅ，２１ｆの両端、詳しくは中心電極２１ｉと外
側電極２１ｊには電荷が生じ、両電極間には電圧
が生じる。端子２３０はその金属ハウジング２３
０ａにより金属製のカバー２１３に半田付され
る。

本例では共振周波数は高い側と低い側がそれぞ
れ独立に出力されるので、検出回路側で和動的に
合成すればよい。あるいは、あらかじめ互の電極
を和動的に接続、又は共通電極を用いれば２端子
又は１端子にて合成出力が得られる。独立に用い
ることももちろん可能である。

なお、上述した各実施例においては、振動体の
上下両側面に弾性体を設けたが、この弾性体は一
方の側面に設けるのみでよい。

また、弾性体としてはゴム以外にナイロン等の
弾性を有する合成樹脂を使用することもできる。

また、振動体の形状は板状に限らず棒状であつ
てもよい。

以上述べてきた如く本発明においては、ノツキ
ングの発生周波数帯のほぼ中心付近に振動体の固
有周波数を設定し、振動体の有効振動長が変化す
べく振動体の固定端において少なくとも一部を弾
性体により弾性的に固定するから、振動体の固有
周波数を中心とし、半値幅の広い周波数特性をも
つノツキング検出器ができ、ノツキングの検出可
能な周波数幅が著しく増大することにより、回転
数、負荷あるいは各サイクル毎の燃焼変動による
ノツキングの発生周波数の変化も検出が可能にな
るという優れた効果がある。

さらに、振動体に弾性体を組み合わせるだけで
本発明は実現でき、振動体の材質、さらにはノツ
キングの検出原理、具体的には磁気検出方式又は
電荷検出方式であろうともそれを問わないので広
く適用が可能であるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明検出器を適用したノツクフイー
ドバツク点火システムの構成図、第２図ａ，ｂ，
ｃは従来検出器および本発明検出器の原理構成図
とそれらの出力特性図、第３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４図ａ，ｂ，ｃは本発明検出器の第２実施
例を示す模式平面図、模式正面図および出力特性
図、第５図ａ，ｂは本発明検出器の第３実施の要
部構成を示す平面図および縦断面図、第６図ａ，
ｂ，ｃ，ｄは本発明検出器の第４実施例を示す横
断面図、縦断面図、要部縦断面図および要部拡大
縦断面図である。 １……内燃機関、２１，２１ａ，２１ｅ，２１
ｆ……振動−電気変換手段に含まれる振動体、２
４……磁気検出手段をなすコイル、２６，２６
ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２１０ａ，２１１
……固定部の要部を構成するおさえ棒、絶縁体、
ビス、２２０ａ，２２０a′，２２０ｂ，２２０
b′，２２０ｃ，２２０ｄ……弾性体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関のノツキングによる振動に応じて振
   動する板状または棒状の振動体を含み、この振動
   体の振動に応じた電気出力を発生する振動−電気
   変換手段と、前記振動体の一部を側面より固定す
   る固定部と、この固定部と前記振動体との間に挿
   入され、この振動体をその有効振動長が変化すべ
   く前記固定部に弾性的に固定するための弾性体と
   を備えることを特徴とする内燃機関用ノツキング
   検出器。 ２ 前記振動体は圧電素子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 前記振動体は磁性材料により構成され、前記
   振動−電気変換手段は前記振動体の振動による磁
   気抵抗変化を検出するための磁気検出手段を含ん
   で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。 ４ 前記磁気検出手段はコイルよりなることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の内燃機関用
   ノツキング検出器。 ５ 前記弾性体は前記振動体の両側面に設けられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第４項のうちいずれかに記載の内燃機関用ノツ
   キング検出器。 ６ 前記弾性体は前記振動体の片側面のみに設け
   られていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第４項のうちいずれかに記載の内燃機関用
   ノツキング検出器。 ７ 前記弾性体はゴムよりなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項乃至第６項のうちいずれか
   に記載の内燃機関用ノツキング検出器。 ８ 前記弾性体は弾性を有する合成樹脂よりなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６
   項のうちいずれかに記載の内燃機関用ノツキング
   検出器。 ９ 前記振動体はノツキング周波数帯において互
   いに異なる周波数に複数の共振特性を有するもの
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第８項のうちいずれかに記載の内燃機関用ノツ
   キング検出器。