エンジンノッキング

火花点火式内燃機関では、ノッキング（ノック、デトネーション、スパークノック、ピンギング、ピンキングとも呼ばれる）は、シリンダー内の空気/燃料混合物の一部が、スパークプラグによって点火された火炎面の伝播によって燃焼するのではなく、空気/燃料混合物の1つ以上のポケットが通常の燃焼面の外側で爆発するときに発生します。燃料と空気の混合気は、スパークプラグによってのみ点火され、ピストンのストロークの正確な時点で点火されるように設計されています。ノッキングは、燃焼プロセスのピークが4ストロークサイクルの最適な瞬間に発生しなくなったときに発生します。衝撃波によって特徴的な金属的な「ピン」音が発生し、シリンダー圧力が劇的に上昇します。エンジンノッキングの影響は、取るに足らないものから完全に破壊的なものまでさまざまです。

ノッキングとプレイグニッションは別個の現象なので 混同しないでください。ただし、プレイグニッションの後にノッキングが発生する場合があります。

デトネーション現象は、1914年11月にロッジ兄弟（スパークプラグ製造業者で、オリバー・ロッジ卿の息子）からの手紙の中で説明され、オートバイの「ノッキング」または「ピンピン」の原因に関する議論に決着をつけました。手紙の中で、彼らは、早期点火は通常の膨張ではなくガスのデトネーションを引き起こす可能性があり、デトネーションによって生じる音は金属部品をハンマーで叩いたときと同じであると述べていました。 ^{[1]これは、1916年から1919年にかけて}航空機エンジンの故障の原因を発見するために行われた実験中に、ハリー・リカードによってさらに調査され、説明されました。^[2]

理想的な条件下では、一般的な内燃機関は、シリンダー内の燃料と空気の混合物を秩序正しく制御された方法で燃焼させます。燃焼は、エンジン速度や負荷などの多くの要因に応じて、上死点（TDC）の約10〜40クランクシャフト度前にスパークプラグによって開始されます。この点火の早めにより、燃焼プロセスが理想的なタイミングでピーク圧力を発生させ、膨張ガスから最大限の仕事の回収が可能になります。^[3]

スパークプラグの電極間の火花は、スパークプラグギャップとほぼ同じ大きさの小さな炎の核を形成します。炎の核が大きくなるにつれて、熱出力が増加し、加速的に成長して燃焼室全体に急速に広がります。この成長は、炎の前面が可燃性の燃料と空気の混合物自体を通過することと、レイリー・テイラー不安定性(高温で低密度の燃焼ガスが比較的低温で密度の高い未燃焼の燃料と空気の混合物に広がることで生じる) によるもので、レイリー・テイラー不安定性によって燃焼ゾーンが急速に広がり、単純な球状の炎の球よりもはるかに大きな表面積を持つ燃焼ガスの指状の複合体になります (この後者のプロセスは、燃料と空気の混合物に事前に存在する乱流によって強化され、加速されます)。通常の燃焼では、この炎の前面は、特定の混合物に特有の速度で燃料と空気の混合物全体を移動します。利用可能な燃料がほぼすべて消費されると、圧力はスムーズにピークまで上昇し、その後、ピストンが下がると圧力が低下します。最大シリンダー圧力はピストンがTDCを通過してから数クランクシャフト度で達成されるため、ピストンに加わる力（ピストン上面に加えられる圧力の増加による）は、ピストンの速度とクランクシャフトの機械的利点が膨張ガスからの力の回復を最も良くするまさにそのときに最も強く押すことができ、クランクシャフトに伝達されるトルクを最大化します。^{[3] [4]}

炎面の境界を超えた未燃焼の燃料と空気の混合物が、一定時間（使用した燃料の遅延期間を超えて）熱と圧力の組み合わせにさらされると、デトネーションが発生する可能性があります。デトネーションは、炎面の外側にある燃料と空気の混合物の少なくとも 1 つのポケットがほぼ瞬時に爆発的に点火する特徴があります。ポケットの周囲に局所的な衝撃波が発生し、シリンダー圧力が急激に上昇し、設計限界を超える可能性があり、損傷を引き起こします。（デトネーションは実際には爆燃よりも効率的ですが、エンジン部品に損傷を与えるため通常は回避されます。）

極端な状況下やエンジンサイクルの多くでデトネーションが持続すると、エンジン部品が損傷または破壊される可能性があります。最も単純な悪影響は、通常、中程度のノッキングによって引き起こされる粒子摩耗です。粒子摩耗はエンジンのオイルシステムを通じてさらに進行し、オイルフィルターに捕らえられる前に他の部品の摩耗を引き起こす可能性があります。このような摩耗は、油圧キャビテーションによって引き起こされる損傷に似た、侵食、摩耗、または「サンドブラスト」された外観になります。激しいノッキングは、物理的な穴が溶けてピストンまたはシリンダーヘッドを突き抜ける（つまり、燃焼室が破裂する）という形で壊滅的な故障につながる可能性があり、どちらの場合も影響を受けたシリンダーの圧力が下がり、大きな金属片、燃料、燃焼生成物がオイルシステムに導入されます。過共晶ピストンは、このような衝撃波によって簡単に破損することが知られています。^[4]

爆発は、以下のいずれかの技術またはすべての技術によって防止できます。

• 点火時期を遅らせる
• 高オクタン価の燃料の使用。これにより燃料の燃焼温度が上昇し、爆発しにくくなる。
• 空燃比を濃くすることで燃焼中の化学反応が変化し、燃焼温度が下がり、爆発までの余裕が増す。
• ピークシリンダ圧力の低減
• スロットル開度またはブースト圧を下げてマニホールド圧力を下げる
• エンジンの負荷を軽減する

圧力と温度は密接に関連しているため、圧縮比の低減、排気​​ガスの再循環、エンジンの点火時期スケジュールの適切な調整、エンジンの燃焼室と冷却システムの慎重な設計、および初期の空気吸入温度の制御によって燃焼室のピーク温度を制御することによってもノックを緩和することができます。^{[引用が必要]}

ガソリンに添加される可溶性有機鉛化合物であるテトラエチル鉛(TEL)の添加は、有毒汚染の理由で中止されるまで一般的でした。吸気チャージに鉛粉塵を添加すると、さまざまな炭化水素燃料のノックも軽減されます。マンガン化合物も、ガソリン燃料のノックを軽減するために使用されます。

寒冷な気候ではノックはそれほど一般的ではありません。アフターマーケットのソリューションとして、水噴射システムを採用して燃焼室のピーク温度を下げ、デトネーションを抑制することができます。追加の冷却が供給されなくても、蒸気 (水蒸気) はノックを抑制します。

乱流は、前述のように、ノックに非常に重要な影響を及ぼします。乱流のよいエンジンは、乱流の悪いエンジンよりもノックが少なくなる傾向があります。乱流は、エンジンが吸入している間だけでなく、混合気が圧縮されて燃焼するときにも発生します。多くのピストンは、空気と燃料が点火されて燃焼するときに「スクイッシュ」乱流を使用して激しく混合するように設計されており、これにより燃焼が加速され、未燃焼の混合気が冷却されるため、ノックが大幅に軽減されます。その一例は、すべての最新のサイドバルブまたはフラットヘッドエンジンです。ヘッドスペースのかなりの部分がピストンクラウンに近接するように作られているため、TDC 付近で乱流が多くなります。サイドバルブヘッドの初期の頃は、これが行われておらず、特定の燃料に対してはるかに低い圧縮比を使用する必要がありました。また、そのようなエンジンは点火の進角に敏感で、出力も低かったです。^[4]

ディーゼルエンジンでは、圧縮行程の終わりに燃料が高圧縮空気に噴射されるため、ノッキングは多かれ少なかれ避けられません。燃料が噴射されてから燃焼が始まるまでには、少しの時間がかかります。 ^[要出典]この時までに、燃焼室にはすでに一定量の燃料があり、燃料が完全に燃焼する前に、酸素密度の高い領域で最初に点火します。この圧力と温度の急激な上昇により、ディーゼル特有の「ノック」または「カタカタ音」が発生しますが、エンジンの設計では、その一部を考慮する必要があります。^[要出典]

インジェクター ポンプ、燃料インジェクター、燃焼室、ピストン クラウン、シリンダー ヘッドを慎重に設計すると、ノッキングを大幅に軽減できます。また、電子コモン レールインジェクションを採用した最新のエンジンでは、ノッキングのレベルが非常に低くなります。間接噴射を採用したエンジンでは、燃焼室内の酸素の拡散が大きく、噴射圧力が低いため、燃料と空気の混合がより完全になるため、ノッキングのレベルは直噴エンジンよりも低くなります。ディーゼルは、実際にはガソリン エンジンとまったく同じ「ノッキング」に悩まされることはありません。原因は、不安定な燃焼ではなく、圧力上昇の速度が非常に速いことだけであることがわかっているためです。ディーゼル燃料は、ガソリン エンジンではノッキングが発生しやすいのですが、ディーゼル エンジンでは、燃料が酸化されるのは膨張サイクル中だけなので、ノッキングが発生する時間はありません。ガソリン エンジンでは、燃料は、点火前に圧縮されている間ずっとゆっくりと酸化しています。これにより、高温/高圧の非常に重要な期間の前に、分子の構造/構成に変化が生じる可能性があります。^[4]

燃料の品質、大気圧、周囲温度の大きな変動や故障の可能性を考慮して、現代のすべての燃焼エンジンにはノッキングを検出して防止するメカニズムが組み込まれています。

制御ループは、1 つ以上のノック センサー(通常は振動を電気信号に変換できる圧電センサー)の信号を常時監視します。ノッキング燃焼の特徴的な圧力ピークが検出されると、点火時期が数度ずつ遅らせられます。信号が正常化して制御された燃焼を示している場合は、点火時期が再び早められ、エンジンを可能な限り最良の動作点 (いわゆる「ノック限界」) に保ちます。最新のノック制御ループ システムでは、各シリンダーの点火時期を個別に調整できます。特定のエンジンに応じて、ブースト圧力が同時に調整されます。この方法で、パフォーマンスが最適に保たれ、ノックによるエンジン損傷のリスクがほぼ排除されます (たとえば、低オクタン価燃料で動作している場合)。^[5]この初期の例は、ターボチャージャー付きの Saab H エンジンで、エンジンがノックを引き起こす場合にブースト圧力を下げるためにAutomatic Performance Controlと呼ばれるシステムが使用されていました。 ^[6]

ノッキング燃焼の回避は開発エンジニアにとって非常に重要であるため、ノッキングが発生する可能性のあるエンジン設計や動作条件を特定できるさまざまなシミュレーション技術が開発されています。これにより、エンジニアは高い熱効率を維持しながらノッキング燃焼を緩和する方法を設計できます。^{[引用が必要]}

ノックの発生は、燃焼室内の局所的な混合気組成に関連するシリンダ内の圧力、温度、および自己着火化学反応に敏感であるため、これらすべての側面を考慮したシミュレーション^[7]は、ノックの動作限界を決定し、エンジニアが最も適切な動作戦略を決定するのに最も効果的であることが証明されています。

ノック制御戦略の目的は、エンジンを損傷するノックイベントから保護することと、エンジンの出力トルクを最大化することとの間のトレードオフを最適化することです。ノックイベントは独立したランダムプロセスです。^[8]決定論的なプラットフォームでノックコントローラーを設計することは不可能です。ノック制御方法の単一の時間履歴シミュレーションまたは実験では、到着するノックイベントのランダムな性質のため、コントローラーのパフォーマンスを繰り返し測定することはできません。したがって、望ましいトレードオフは、厳密な統計特性を持つさまざまなノック制御戦略のパフォーマンスを設計および評価するための適切な環境を提供できる確率論的フレームワークで行う必要があります。^{[引用が必要]}

• di Gaeta, Alessandro; Giglio, Veniero; Police, Giuseppe; Rispoli, Natale (2013). 「ノッキング条件下でのシリンダー内圧力振動のモデリング: 減衰波動方程式に基づく一般的なアプローチ」. Fuel . 104 : 230–243. doi :10.1016/j.fuel.2012.07.066.
• ジリオ、ヴェニエロ。警察、ジュゼッペ。ナターレ、リスポリ。イオリオ、ビアジオ。ディ・ガエタ、アレッサンドロ (2011)。 「SI エンジンのノックのシミュレーションのための低減運動モデルの実験的評価」。SAE テクニカル ペーパー シリーズ。 Vol. 1.土井：10.4271/2011-24-0033。
• ディ・ガエタ、アレッサンドロ。ジリオ、ヴェニエロ。警察、ジュゼッペ。レアーレ、ファブリツィオ。ナターレ、リスポリ (2010)。 「ノッキング条件下での圧力振動のモデル化: 偏微分波方程式によるアプローチ」。SAE テクニカル ペーパー シリーズ。 Vol. 1.土井：10.4271/2010-01-2185。
• 「小型化」された直噴火力点火エンジンの予測燃焼シミュレーション: 予期せぬ点火 (「メガノック」)、失火、消火、火炎伝播、従来の「ノック」に対する解決策、cmcl イノベーション、2010 年 6 月アクセス。
• エンジンの基礎: デトネーションと予期せぬ点火、Allen W. Cline、2007 年 6 月アクセス。
• ジリオ、ヴェニエロ。警察、ジュゼッペ。ナターレ、リスポリ。ディ・ガエタ、アレッサンドロ。セセレ、ミケーレ。デッラ・ラジョーネ、リヴィア（2009）。 「ノック検出のためのSIエンジンのイオン電流の使用に関する実験的研究」。SAE テクニカル ペーパー シリーズ。 Vol. 1.土井：10.4271/2009-01-2745。
• テイラー、チャールズ・フェイエット（1985年）。『内燃機関の理論と実践：燃焼、燃料、材料、設計』MIT出版。ISBN 9780262700276。

• NACA - 火花点火エンジンにおける燃焼とノック
• NACA - 内燃機関のノックゾーンにおけるイオン化
• NACA - さまざまなタイプの自己着火とノックの相互依存性