エンジンノック制御 ― ECUがノッキングを検知・管理する方法
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ノッキングはピストン、ピストンリングランド、ベアリングシェルを損傷させます。ECUのノック制御システムはこれをリアルタイムで検知し、構造的な損傷が発生する前に点火時期を調整します。ここでは、そのシステムの仕組みと正しいキャリブレーション方法について説明します。
ボトムライン
- エンジンノックは、末端ガスの自己着火であり、早期着火とは異なる現象であるため、別の対処法が必要となる。
- ノックセンサーは、通常6～15kHzのボア共振周波数に調整された圧電式加速度計であり、有効な信号結合のためには金属表面に取り付ける必要がある。
- シリンダーごとのECUノック制御は、影響を受けないシリンダーの点火時期を遅らせることなく、ノックイベントごとに1～3°の点火時期遅延を適用します。
- しきい値校正は、クリーンな全負荷ベースラインから開始します。各回転数/負荷セルで、ピークノイズフロア値より20～30%高い値に設定します。
- 全開スロットル時に定期的にノックリタードが発生するのは故障信号です。根本原因を特定して修正してください。
エンジンノックとは何ですか？
ノッキング（デトネーションとも呼ばれる）は、燃焼前線より前方の未燃焼の空気/燃料混合気であるエンドガスの自己着火です。ガソリンのエンドガスは250～280℃で自己着火します。高圧縮または過給シリンダーでは、燃焼前線が到達する前に、混合気の温度と圧力の組み合わせがこの閾値に達します。エンドガスは自然発火し、通常の燃焼現象と衝突する圧力スパイクを発生させます。通常の燃焼では圧力上昇率は100 bar/ms未満ですが、ノッキング現象では200 bar/msを超えることがあります。結果として生じる圧力変動は、ピストン、ピストンリングランド、およびコネクティングロッド小端部に衝撃荷重を加えます。高負荷でのノッキングが継続すると、エンジンが破壊されます。
早期着火は別の問題であり、診断においてはその区別が重要になります。通常の燃焼は点火プラグから始まり、火炎面が混合気中を伝播します。ノッキングは点火後、排気ガス末端部で発生します。早期着火は点火前に始まり、燃焼室内の高温箇所、白熱した堆積物、または過熱したバルブシートによって引き起こされます。早期着火はより速い時間スケールで発生し、一般的にデトネーションよりも破壊的です。ノック制御システムはノッキングとデトネーションの両方に対処します。早期着火が発生している場合は、高温箇所を特定して除去してください。
ノッキングの根本原因は予測可能である。
- 現在のシリンダー圧力では、燃料オクタン価に対して点火時期が進みすぎている。
- 燃料のオクタン価が、圧縮比またはブーストレベルに対して不十分です。
- 高負荷時の希薄な空燃比
- 吸気温度が高い場合 ― ターボチャージャー付きエンジンでは、インタークーラー後の吸気温度が外気温度より50～60℃高くなると、ノッキングの発生確率が著しく増加する。
- 燃焼室の堆積物またはバルブシートの過熱
ノックセンサーはどのように機能するのですか？
ノックセンサーは、エンジンブロックにボルトで固定された圧電式加速度計で、それぞれがデトネーション発生時のシリンダーボアの機械的共振に対応する周波数帯域を監視します。この共振周波数は通常6～15kHzで、ボア径に依存します。ボア径が大きいほど共振周波数は低くなり、ボア径が小さいほど共振周波数は高くなります（基本的な音響理論によれば、F = 0.9 × c/B、ここでcは混合気中の音速、Bはボア径（メートル）です）。ECUのノック周波数設定は、エンジンのボア径に一致させる必要があります。
ECUは、生のセンサー信号にバンドパスフィルタを適用し、ノック周波数帯域を通常のエンジン機械ノイズから分離します。次に、ECUは、各シリンダーごとに定義されたクランク角範囲（通常は上死点後0～40°）でフィルタ処理された信号を積分します。この範囲は、排気ガスの圧力が最大となり、自己着火が最も起こりやすい状態です。ECUは、積分値を校正済みの閾値と比較します。閾値を超える値が検出された場合、ノックイベントが発生したと判断されます。
センサーの配置
センサーの配置によって信号品質が決まります。直列4気筒エンジンでは、通常、2番シリンダーと3番シリンダーの間に配置された1つのセンサーで4つのシリンダーすべてをカバーします。V型エンジンやワイドボアエンジンでは、シリンダーバンクごとに専用のセンサーが必要です。センサーは、塗装やネジシール、ガスケットなどを一切使用せず、ブロックの金属面に直接ねじ込む必要があります。センサーとブロックの間に何らかの物質があると、構造的な結合が弱まり、信号が弱まります。
ECUメーカーのトルク仕様に従ってください。 Emtron Linkのドキュメントにはセンサーのトルクが指定されています。締めすぎたり緩すぎたりすると、センサーの内部予圧が変化し、周波数応答が変わります。
ECUはどのようにノッキングを制御するのか？
ECUは、閾値を超えるノックイベントを検出すると、影響を受けたシリンダーの点火時期を遅らせます（通常、イベントごとに1～3°）。ECUは引き続きそのシリンダーを監視します。ノックが解消されると、設定可能な回復速度で徐々に点火時期が回復します。ノックが継続する場合は、イベントが解消されるまで点火時期がさらに遅らせられます。
ECUで設定する必要のある主要パラメータ：
| 制御するもの | |
|---|---|
| ノック閾値表 | ECUがノッキングを検知する基準値（回転数×負荷） |
| ノック頻度 | バンドパスフィルタの中心周波数（Hz） |
| 検出ウィンドウ | ECUがセンサーをサンプリングするクランク角範囲（° ATDC） |
| イベントごとの遅延 | ノックイベントごとに引き下げられた点火時期の度数 |
| 最大遅延 | ECUが適用する点火遅延の上限 |
| 回収率 | ノッキングが解消された後のエンジンサイクルごとのタイミングの度数 |
シリンダーごとの制御
高性能エンジンには、シリンダーごとのノック制御が最適なアーキテクチャです。グローバルリタードは、1つのシリンダーでノッキングが発生している場合でも、すべてのシリンダーの点火時期を遅らせてしまうため、保護効果もなくパワーを無駄に消費します。シリンダーごとのリタードは、影響を受けているシリンダーを特定し、必要最小限の補正を適用し、各シリンダーの点火時期を個別に回復させます。 Emtron LinkスタンドアロンECUはどちらも、シリンダーごとのノック制御を標準装備しています。
ダイナモメーター上でノックコントロールをどのように調整するのですか？
キャリブレーションには、データロギングを実行しながら、負荷をかけた状態でエンジンをダイナモメーターに載せる必要があります。以下の手順を順番に実行してください。
1. ノック周波数を設定します。 ECUのバンドパスフィルターをエンジンのボア共振周波数に合わせてください。この値はエンジンごとに異なります。 Emtron 回転数に応じた周波数テーブルを受け入れます。Link G4XとG5は、センサー入力ごとに周波数を設定します。ECUがシリンダーごとの周波数割り当てをサポートしている場合は、それを使用してください。
2. ノイズフロアを設定する。 ノッキングが発生しない状態で、高オクタン価燃料を使用してエンジンを全負荷運転してください。全回転数および全負荷範囲におけるピーク積分センサー値を記録してください。この基準値が、しきい値校正の基礎となります。
3. しきい値テーブルを作成する。 各回転数/負荷セルにおいて、クリーンなベースラインより20～30%高いしきい値を設定してください。しきい値が低すぎると、誤作動や不要なタイミングロスが発生します。しきい値が高すぎると、実際のノックイベントが検出されず、エンジンが損傷を受けている間もECUは何も記録しません。これは理論上のリスクではなく、キャリブレーション中にしきい値を保守的に設定しすぎると、特に中スロットル位置や吸気温度が高い場合など、ノイズフロアが全負荷状態と異なるときに、実際のイベントがフィルタリングされてしまいます。キャリブレーション中にECUと併用される外部ノックモニターは、ECUのしきい値が本来検出すべきものを検出していることを検証するための独立した信号を提供します。
4. 検出を確認する。 定常状態での加速時に、MBT（最大許容トルク）をわずかに超えて点火時期を進めることで、意図的に軽度のノッキングを発生させます。ECUがイベントを検知し、点火時期を元に戻すことを確認します。システムが反応しない場合は、しきい値が高すぎるか、センサーの結合が不良です。しきい値を調整する前に、取り付け状態を確認してください。
5. 回復率を設定します。 積極的な回復速度は、点火タイミングを素早く元に戻し、出力を維持しますが、ノッキングの原因が解消されたという確信が必要です。初期調整時には、控えめな回復速度を使用してください。チューニングが安定し、ご使用のエンジンでノッキングが発生するタイミングと原因が理解できたら、回復速度を速めてください。
ノックコントロールオン Emtron ECU
Emtron ノック制御は2段階のリタードシステムとして実装されています。短期リタードは、サイクルごとに発生するノックイベントに対応し、長期リタードは、繰り返される短期的な動作に基づいて永続的なオフセットを蓄積します。SL4は1つのノック入力（グローバルモードのみ）をサポートし、SL8、KV8、KV12、およびKV16は2つの入力とシリンダーごとの個別モードをサポートします。
アクセス方法：設定 → 機能 → 機能出力設定 → エンジン機能 → ノック制御、またはユーティリティ → ノックスタジオ → ノック制御。
ハードウェア：シリンダーごとのモードをサポートするモデルはどれですか
| モデル | ノック入力 | 利用可能なモード |
|---|---|---|
| SL4 | 1 | グローバルのみ |
| SL8 / KV8 / KV12 / KV16 | 2 | 個別（シリンダーごと） |
SL8またはKVハードウェアが装着されているすべての高性能ビルドでは、個別モードを使用してください。グローバルモードでは、1つのシリンダーのみがノッキングしている場合でも、すべてのシリンダーの点火タイミングが調整されます。これはSL4ビルドでは許容範囲内ですが、妥協策となります。
フィルター：中心周波数とウィンドウタイプ
フィルターは、ECUが解析する周波数を決定します。中心周波数は、シリンダーボアの共振周波数と一致する必要があります。直接計算してください。
F (Hz) = 1,800,000 / (3.14 × ボア径 mm)
| ボア（mm） | 中心周波数（Hz） |
|---|---|
| 80 | 7,166 |
| 85 | 6,745 |
| 90 | 6,372 |
| 95 | 6,033 |
| 100 | 5,732 |
帯域幅は周波数帯域の幅を設定します。最初は300Hzから始め、センサーログで正しい中心周波数を確認したら、帯域幅を狭めてください。
利用可能なフィルターウィンドウの種類は3つあります。
| 窓の種類 | 帯域幅 | 使用する場合 |
|---|---|---|
| なし | 生のデジタルデータ、ウィンドウ処理なし | 強力でクリアなノック信号。ノイズフロアは最小限。 |
| ハミング | タイト — 正確な中心周波数が必要 | ログで中心周波数を確認した後 |
| ブラックマン | リラックスした状態 - 中心周波数はそれほど重要ではない | 馴染みのないエンジンでの初期キャリブレーション |
校正中はブラックマン法から始め、正しい中心周波数が確認できたらハミング法に切り替えてください。
エンジンが同調共振センサー（広帯域ではなく特定の周波数で共振するセンサー）を使用している場合は、第2高調波動作を有効にします。ECUは分析周波数を2倍にして、基本周波数のノイズフロアを超える信号対雑音比を改善します。
ノックモード：グローバル vs 個別
ノックモードパラメータで設定します：0 = 全体、1 = 個別。
個別モードでは、各シリンダーに独自の点火時期遅延アキュムレータが割り当てられます。シリンダー3でノッキングが発生しても、シリンダー1の点火時期は遅延しません。シリンダー間でポート流量、燃料供給量、または吸気温度にばらつきがあるエンジンでは、この違いは出力と診断において非常に重要です。
短期および長期の遅延
Emtron 単一のステップ・イベントモデルではなく、2つの遅延層を使用する。
| 制御するもの | |
|---|---|
| 短期遅延ゲイン | 検出サイクルごとに、閾値を超える割合あたりの遅延度 |
| 短期融資金利 | 短期遅延がゼロに戻る速度（°/サイクル） |
| 短期遅延制限 | 最大短期遅延 |
| 長期遅延利得 | 短期的な蓄積に基づいて適用される長期遅延 |
| 長期金利 | 長期遅延からの回復率 |
| 長期遅延制限 | 最大長期遅延 |
短期点火遅角は、一時的なノック現象に対応し、迅速に回復します。長期点火遅角は、ノック現象が複数サイクルにわたって繰り返される場合に蓄積され、ゆっくりと回復する持続的なオフセットとして機能します。長期点火遅角が走行ごとに蓄積され、走行間でゼロに戻らない場合は、基本点火マップが常にノック閾値を超えていることを意味します。これは、キャリブレーションの問題ではなく、チューニングの問題です。
窓をノックする
| 制御するもの | |
|---|---|
| ノックウィンドウ開始角度 | ECUがセンサーのサンプリングを開始するクランク角度 |
| 窓をノックする角度 | サンプリングウィンドウの継続時間（度） |
点火タイミングのウィンドウは、エンジン構成に応じた点火間隔よりも短くする必要があります。V8エンジンの場合は90°未満、V12エンジンの場合は60°未満です。10°ATDCから開始し、ウィンドウを30°に設定して、センサーログデータに基づいて調整してください。
しきい値テーブル
3つのテーブルが連携して動作します。
- ノック閾値表 — 回転数×負荷に対する基本しきい値。フィルタリングされた信号がこの値を超えると、ECUはノッキングを検知します。
- ノック閾値シリンダーゲインテーブル — 基本しきい値に対するシリンダーごとの乗数（X軸はシリンダー番号に設定）。これを使用して、機械的ノイズフロアが高いシリンダー（通常はセンサーから最も遠いシリンダー）のしきい値を上げます。
- ノックレベルシリンダーゲインテーブル — 入力センサー信号に対するシリンダーごとのゲイン（X軸はシリンダー番号に設定）。センサー取り付け位置からの距離によって信号が弱くなるシリンダーを補正します。
ロックアウト
ノック制御は、以下の条件下ではリタードを無効にします。それぞれを意図的に設定してください。
| ロックアウト | 目的 |
|---|---|
| RPM低ロックアウト | ノイズフロアが高いアイドリング時や低回転数運転時の遅延を防止します。 |
| RPM ハイロックアウト | 該当する場合、オーバーラン回転数を超えるとリタードを防ぎます。 |
| 開始後の遅延 | エンジン始動後一定時間（冷間時のノイズフロア）ノック制御を無効にします。 |
| TP / dTP ロックアウト | 急激なスロットル操作時の減速を防止します。 |
| dMAPロックアウト | 急激なMAP変化時の遅延を防止します |
監視対象のログチャネル
ダイノテストのたびに、シリンダーごとのノックレベル、シリンダーごとの短期遅角、シリンダーごとの長期遅角、シリンダーごとのノック回数を測定します。他のシリンダーよりも長期遅角が常に高いシリンダーは、そのシリンダー固有の問題（燃料供給の不均衡、ポート流量の変動、または局所的なホットスポット）を示しています。
XTRA Motorsport ストック Emtron KV8、SL4、SL8、およびShadow ECUEUへの配送のため、リトアニアに在庫があります。
Link G4XおよびG5のノックコントロール
Linkは、シングルティアステップモデルでノック制御を実装します。ECUは、ノックイベントごとに設定可能な遅延ステップを適用し、設定されたレートで回復します。G4XとG5はどちらも1つまたは2つのセンサー入力をサポートし、周波数ウィンドウはシリンダーごとまたはバンクごとに設定可能です。アクセス：ECUコントロール → ノック制御。
フィルターと周波数
同じボア共鳴式を使用します Emtron: 1,800,000 / (3.14 × ボア mm)。周波数はシリンダーごと、またはバンクごとに割り当てます。標準的な直列エンジンでは、すべてのシリンダーで同じ値を使用します。Link はフィルタ ウィンドウ タイプを直接公開しません。フィルタは中心周波数と帯域幅の入力のみで設定されます。
遅延：ステップごとのイベントモデル
| 制御するもの | |
|---|---|
| ノックリタード表 | ノックイベントごとに遅角する度数（回転数に応じて設定可能） |
| 最大遅延 | 全イベントにおける点火遅延の上限 |
| 回収率 | ノッキングが検出されない場合のエンジンサイクルあたりの温度（度） |
ノックリタードテーブルでは、回転数範囲全体で異なるステップサイズを設定できます。高回転域ではステップサイズを小さく設定してください。例えば、7,000 rpmで3°のリタードを行うと、3,000 rpmの場合よりもトルク損失が大きくなります。初期調整時には、控えめなステップ（1°）を使用し、エンジンのノック挙動を理解したらステップサイズを大きくしてください。
しきい値とウィンドウ
しきい値テーブル：回転数×負荷軸。高オクタン価燃料で全負荷運転を行った際の、クリーンノイズフロアの基準値より20～30%高い値に設定してください。これは他のプラットフォームと同様です。
検出ウィンドウ：上死点後角度（ATDC）で設定します。開始点：10°開始、30°継続。PCLinkはノックセンサーの生信号をログに記録します。これを使用して、ウィンドウがノックイベントを捉えているのか、それとも機械的なノイズを捉えているのかを確認してください。
監視対象のログチャネル
各走行におけるシリンダーごとのノックレベル、ノックリタード、ノックカウント。PCLinkのノックランタイム値は、ダイノテスト中に各シリンダーの現在のリタードとピークリタードをリアルタイムで表示します。
XTRA Motorsport Link G4XおよびG5 ECUを在庫していますEUへの配送のため、リトアニアに在庫があります。
ノックコントロールでは解決できないこと
ノック制御は安全対策であり、チューニング戦略ではない。
適切な燃料を使用し、正しく調整されたエンジンは、スロットル全開時にノック制御を頻繁に作動させることはありません。もしECUがハードな走行のたびに点火時期を数度遅らせる場合は、基本チューニングが限界を超えている可能性があります。点火マップがアグレッシブすぎるか、燃料のオクタン価がシリンダー内圧に不十分であるか、あるいは機械的な不具合（リーンインジェクター、過度の吸気温度、燃焼室の堆積物など）があると考えられます。
ノックリタードが継続すると、出力が低下し、排気ガス温度が上昇するだけでなく、根本原因を解決するどころか隠蔽してしまうことになります。ノック制御を長期間放置すると、エンジンに損傷を与える可能性があります。原因を調査し、解決してください。
診断手順は直接的です。
- 各走行時に、シリンダーごとのノック数と現在の点火時期遅延を記録する。
- どのシリンダーがノッキングを起こし、どの回転数と負荷でノッキングが発生するかを特定します。
- そのシリンダーの燃料供給、インジェクター流量、および吸気温度を確認してください。
- ノッキングが解消されるまで該当ゾーンの点火時期を遅らせ、その後、元の点火時期がそのシリンダーと負荷条件に対して制限を超えていた理由を特定する。
ノック制御機能を備えたレーシングエンジンでも、ノックによって損傷を受ける可能性はありますか？
はい、そして最も一般的な原因は燃料品質の変化です。
ノック制御には最大遅延制限があります。 Emtron短期遅角制限と長期遅角制限の組み合わせによって、ECUが遅らせることができる合計点火時期が決まります。一般的なキャリブレーションでは、合計4～8°に設定されます。エンジンのノッキングがこの制限を超えて激しくなると、ECUは限界に達し、それ以上保護できなくなります。ノッキングは継続し、損傷が発生します。
これは、エンジンが調整された燃料ではめったに起こりません。燃料が変わったときに起こります。
98RONのガソリン、または特定のブランドのプレミアムガソリン（シェルV-パワー、Q8フォーミュラ、プログレソ100など）でチューニングされたレース用エンジンは、その燃料のオクタン価の限界値ぎりぎりの点火時期に調整されます。キャリブレーターは、あらゆる回転数と負荷セルにおいて最大点火進角を設定します。設計上、安全マージンは一切ありません。目標は最大出力であり、信頼性マージンではありません。
同じエンジンに、オクタン価95の燃料、または地方のガソリンスタンドで購入したオクタン価91の燃料、あるいはラベル表示とオクタン価が一致しない供給業者から購入した燃料を補充してください。ノッキングの閾値が低下します。ECUは点火時期を最大制限まで遅らせます。燃料が許容できる点火時期と点火マップが要求する点火時期の差が遅角限界を超えると、ECUは余裕がなくなります。エンジンは負荷がかかるとノッキングを起こし、それ以上の保護機能はありません。
市販のエンジンでは、この問題はそれほど深刻ではありません。メーカーは、燃料品質の変動、高度の変化、極端な温度変化など、生産車両の全寿命にわたって発生する様々な状況に対応できるよう、MBT（最大点火タイミング）から3～5°のタイミングを意図的に遅らせてキャリブレーションを行っています。レース用エンジンには、そのようなバッファは一切ありません。キャリブレーターは、そのバッファをすべて使い切ってしまうのです。
実用的なルール: エンジンの調整に使用された燃料を使用してください。 普段使用しているオクタン価の低い燃料を給油する場合（レース会場などで普段使用しているブランドの燃料が入手できない場合や、燃料の品質にばらつきがある国など）、エンジンを全負荷で運転する前に、点火時期を全回転域で遅らせてください。ノックコントロールに頼ってこのギャップを埋めようとしないでください。
高回転数、高負荷、ピストン冠部の破損
最も破壊的なノッキングは、中回転域での短時間の過渡的な現象ではなく、連続的な高負荷下で最大回転数で発生する持続的なノッキングです。これは、長い直線路や走行中のダイナモテストにおいて、6速ギアで8,700rpmを維持し、スロットルを全開にした状態で発生します。
理由は周波数にある。4気筒エンジンで8,700rpmの場合、各気筒の燃焼は13.8msごとに発生する。この状態では、ノッキングは回復間隔を挟んで1回ずつ発生するのではなく、燃焼と同じ頻度で発生する。ピストン冠部は、ノッキングの間に熱を放出する時間がない。連続するノッキングが発生するたびに、すでに最高温度に達しているピストン冠部に、熱的および機械的な負荷がさらに加わる。
ピストン冠部が最初に損傷を受ける。通常の燃焼では、薄い層流ガス層が冠部表面に存在し、断熱材として機能して、燃焼熱がアルミニウムに直接伝わるのを防ぐ。ノッキングによる乱流はこの層を剥ぎ取る。燃焼ガスがむき出しになった冠部表面に直接接触し、機械的および熱的応力が最も高いリングランド部で局所的な侵食が始まる。高回転・高負荷でのノッキングが続くと、この侵食は加速する。ノッキングが発生するたびに材料が侵食され、冠部の温度が上昇し、次のサイクルの断熱性能が低下する。損傷は累積する。深刻な場合、冠部に穴が開く（溶けたり焼けたりする）。繰り返しの機械的衝撃荷重によるリングランドの破損も、もう一つの損傷経路である。どちらの場合も、破片が燃焼室内に放出される。続いて、コネクティングロッドとシリンダーボアが損傷を受ける。
ノッキングには、持続的なノッキングが一時的なノッキングよりも悪化するという自己増幅メカニズムも存在します。ノッキングが発生するたびにシリンダー内の温度が上昇し、次の燃焼サイクルにおける自己着火閾値が低下します。閾値が低いほど次のサイクルでノッキングが発生しやすくなり、温度がさらに上昇します。持続的な負荷がかかった状態で放置すると、この悪化は急速に進みます。例えば、長い直線区間の開始時に軽微なノッキングが発生していても、スロットル開度や回転数に変化がなくても、直線区間の終わりには深刻なノッキングに発展する可能性があります。
ノック制御の点火時期遅角制限が問題をさらに悪化させている。4～8°の遅角が可能で、遅角ゲインが過渡現象に合わせて調整されているため、システムは短時間のノック発生には対応できる。しかし、エンジンの熱的・機械的限界における持続的なノックには対応できない。遅角の余裕がなくなるのだ。燃料の品質が悪かったり、チューニングが状況に対してアグレッシブすぎたりすると、ECUはシリンダー圧力をノック閾値以下に下げるのに十分な点火時期遅角を行うことができない。システムは限界に達し、その差はエンジンに伝わる。
避けるべきシナリオは、燃料品質が不確かな状況で、回転数制限付近またはそれに近い回転数で全開運転を続けることです。回転数リミッターはこれを防ぐものではなく、単に回転数を制限するだけです。負荷がかかった状態で8,700rpmに維持されることは、ノッキングの物理的観点から見ると、8,700rpmに短時間触れることと全く同じですが、その持続時間がはるかに長くなります。ノッキングが発生している場合、その状態が1秒でも続くごとに、累積的な損傷が増加します。
