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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、ピンギングとも呼ばれる）は、シリンダー内の空気/燃料混合気の一部が、点火プラグによって点火された火炎面以外の原因で燃焼する場合、つまり、通常の燃焼面の範囲外で空気/燃料混合気のポケットが1つ以上爆発する場合に発生します。燃料と空気の混合気は、ピストンのストロークの正確な時点で点火プラグによってのみ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タイミングで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「ピンギング」音が発生、シリンダー内圧が急激に上昇します。エンジンのノッキングの影響は、軽微なものから完全に破壊的なものまで多岐にわたります。
ノッキングとプレイグニッションは混同してはならない。これらは全く別の現象である。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こともある。
爆発現象は、1914年11月にロッジ兄弟（スパークプラグ製造業者で、サー・オリバー・ロッジの息子たち）からの手紙で説明され、オートバイの「ノッキング」や「ピンギング」の原因に関する議論に決着がつけられました。手紙の中で彼らは、早期着火によってガスが通常の膨張ではなく爆発を起こすことがあり、爆発によって発生す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す。[ 1 ]ハリー・リカルドは、1916年から1919年にかけて航空機エンジンの故障の原因を解明するために行った実験で、この現象をさらに調査し説明しました。[ 2 ]
通常の運転条件下では、内燃機関はシリンダー内の空気/燃料混合気を秩序正しく制御された方法で燃焼させます。燃焼は、エンジン回転数や負荷など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の手前で点火プラグによって開始されます。この点火進角により、燃焼プロセスが膨張ガスから最大の仕事回収を行うのに最適なタイミングで最大圧力に達する時間を確保できます。[ 3 ]
点火プラグの電極間の火花によって、点火プラグのギャップとほぼ同じ大きさの小さな火炎核が形成されます。火炎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を急速に拡大します。この成長は、火炎前線が可燃性の燃料・空気混合気の中を移動することと、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高密度の未燃焼燃料・空気混合気中に膨張することによって生じる）によって起こります。この不安定性により、燃焼ゾーンは急速に引き伸ばされ、単純な球状の火炎よりもはるかに大きな表面積を持つ、複雑な指状の燃焼ガスの塊となります（後者のプロセスは、燃料・空気混合気中の既存の乱流によって促進され、加速されます）。通常の燃焼では、この火炎前線は、その混合気特有の速度で空気・燃料混合気全体を移動します。利用可能な燃料がほぼすべて消費されると、圧力は滑らかに上昇してピークに達し、ピストンが下降するにつれて圧力は低下します。ピストンが上死点を通過してから数クランクシャフト度後にシリンダー内圧が最大になるため、ピストンに加わる力（ピストン上面に加わる圧力の増加によるもの）は、ピストンの速度とクランクシャフト上の機械的利点が膨張ガスからの力の回復を最大化するタイミングで最も強く押し出すことができ、それによってクランクシャフトに伝達されるトルクが最大化される。[ 3 ] [ 4 ]
火炎面境界外の未燃焼燃料・空気混合気が、一定時間（使用燃料の遅延時間を超えて）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る。デトネーションは、火炎面外の少なくとも1つの空気・燃料混合気塊がほぼ瞬時に爆発的に着火することを特徴とする。各混合気塊の周囲に局所的な衝撃波が発生し、シリンダー内圧が急激に上昇する（場合によっては設計限界を超える）ため、損傷を引き起こす。（デトネーションは実際には爆燃よりも効率的であるが、エンジン部品への損傷が大きいため、通常は回避される。）
極限状態または多数のエンジンサイクルにわたってデトネーションが継続すると、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。最も単純な有害な影響は、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あり、その結果生じた粒子がエンジンのオイルシステムに分散し、オイルフィルターに捕捉される前に他の部品に摩耗を引き起こします。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と同様に、侵食、摩耗、または「サンドブラスト」のような外観を与えます。激しいノッキングは、ピストンまたはシリンダーヘッドに物理的に穴が溶けて押し出される（つまり、燃焼室の破裂）という形で壊滅的な故障につながる可能性があり、いずれの場合も影響を受けたシリンダーの圧力が低下し、大きな金属片、燃料、および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容易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、またはすべての方法によって防止できる。
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、および初期吸気温度の制御によって、燃焼室の最高温度を制御することでノッキングを軽減することもできます。
ガソリンに添加される水溶性有機鉛化合物であるテトラエチル鉛（TEL）は、有毒な大気汚染を理由に使用が中止されるまでは一般的でした。吸気混合気に鉛粉塵を添加すると、様々な炭化水素燃料によるノッキングも軽減されます。マンガン化合物もガソリン燃料によるノッキングを軽減するために使用されます。
寒冷地ではノッキングはあまり発生しません。アフターマーケットの解決策として、燃焼室の最高温度を下げてノッキングを抑制するために、水噴射システムを採用することができます。水蒸気（蒸気）は、冷却装置を追加しなくてもノッキングを抑制する効果があります。
乱流はノッキングに重要な影響を与えます。乱流が良好なエンジンは、乱流が不良なエンジンよりもノッキングが少ない傾向があります。乱流は、エンジンが吸気しているときだけでなく、混合気が圧縮されて燃焼しているときにも発生します。多くのピストンは、「スキッシュ」乱流を利用して、着火して燃焼するときに空気と燃料を激しく混合するように設計されており、燃焼を加速して未燃焼混合気を冷却することでノッキングを大幅に低減します。その一例として、現代のサイドバルブエンジンやフラットヘッドエンジンが挙げられます。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設計されているため、上死点付近で大きな乱流が発生します。サイドバルブヘッドの初期の頃は、このような設計はされておらず、同じ燃料でも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時期の進角に敏感で、出力も低くなっていました。[ 4 ]
ディーゼルエンジンでは、圧縮行程の終わりに高圧空気中に燃料が噴射されるため、ノッキングはほぼ避けられません。燃料噴射から燃焼開始までにはわずかな時間差があります。この時点で既に燃焼室内に一定量の燃料が存在しており、酸素密度の高い領域から先に着火し、混合気全体が燃焼します。この急激な圧力と温度の上昇が、ディーゼル特有の「ノッキング」または「ガラガラ音」を引き起こします。このノッキング音の一部は、エンジンの設計段階で考慮する必要があります。
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ことでノッキングを大幅に低減でき、電子制御コモンレール噴射を使用する最新のエンジンはノッキングレベルが非常に低くなっています。間接噴射を使用するエンジンは、燃焼室内の酸素の分散が大きく、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ことから、一般的に直接噴射エンジンよりもノッキングレベルが低くなっています。ディーゼルエンジンは、原因が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、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。ディーゼル燃料は実際には（ガソリンと比較して）ノッキングを起こしやすいのですが、ディーゼルエンジンでは燃料が膨張サイクル中にのみ酸化されるため、ノッキングが発生する時間がありません。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、常にゆっくりと酸化されています。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/構成に変化が生じます。[ 4 ]
燃料の品質、大気圧、周囲温度の大きな変動に加え、故障の可能性もあるため、現代のすべての内燃機関にはノッキングを検知し防止する機構が備わっている。
制御ループは、1 つ以上のノックセンサー(一般的に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すと、点火時期は再び同じ方法で進角され、エンジンが可能な限り最適な動作点 (いわゆる「ノック限界」) に維持されます。最新のノック制御ループシステムは、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、ブースト圧も同時に制御されます。このようにして、ノッキングによるエンジンの損傷のリスク (たとえば、低オクタン価燃料で運転する場合) をほぼ排除しながら、パフォーマンスを最適に保ちます。[ 5 ]この初期の例としては、ターボチャージャー付きのSaab H エンジンがあり、エンジンがノッキングを起こした場合にブースト圧を下げるために、自動パフォーマンス制御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運転条件を特定できる様々なシミュレーション技術が開発されてきた。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軽減する方法を設計することが可能になる。
ノッキングの発生は、燃焼室内の局所的な混合気組成に関連するシリンダー内圧力、温度、自己着火化学反応に敏感であるため、これらの側面すべてを考慮したシミュレーション[ 7 ]は、ノッキング動作限界を決定し、エンジニアが最も適切な動作戦略を決定できるようにする上で最も効果的であることが証明されています。
ノック制御の目的は、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を設計することは不可能です。ノックイベントの発生がランダムであるため、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、コントローラの性能を再現可能な形で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、さまざまなノック制御戦略の性能を厳密な統計的特性で設計および評価するための適切な環境を提供する確率的フレームワークで行う必要があります。