TOP ＞ バックナンバー ＞ Vol.11 No.5 ＞ 動画で見るエンジンレビュー エンジンの筒内可視化（第２報） - 点火から火炎伝播まで -
ガソリン機関の高効率化と高出力密度化の両立を阻害する要因として、ノッキング現象の発生が挙げられる。本編では、ノッキング現象の基礎及びガソリン機関のノッキング特性について、動画を用いて説明する。
1) ガソリンエンジンにおける燃焼現象の種類
ガソリンエンジンにおける、各種の燃焼現象の概要を表1に示す。
表1に示した分類の中で、ノッキング（スパークノック）と呼ばれるものが、最も一般的なノッキングである。スパークノックと呼ばれる理由は、点火時期を遅角することで回避できるノッキングであるためである。火花ノック以外にも、火花放電以外の何らかの着火源から燃焼が開始してしまう表面着火や、それらに起因して音の発生や筒内圧力振動に至る現象など、様々なものが知られている。直噴過給エンジンの低速高負荷域で発生する低速プレイグニッション（Low-Speed Pre-Ignition）で生じる極めて強いノッキング（Super-Knocking, Mega-Knocking）も、火花放電以外が起因になっている。
以後、スパークノックを単にノッキングと呼び、その現象を説明する。
2) ノッキング現象
図6に、シリンダボア全域を可視化した2ストロークエンジンで撮影された、ノッキング（スパークノック）が起こる瞬間の写真の一コマを示す。写真の下側に点火プラグがあり、下から上に火炎伝播をしている。火炎伝播燃焼が燃焼室全域に至る前に、図中に破線で囲った領域のように、自着火が発生することで、筒内ガスに圧力振動（ノッキング）が発生する。
図7に、正常燃焼とノッキングの2つの条件での燃焼動画を示す。ノッキング時は、エンドガスで自着火が発生した後、急速に燃焼が進行する。この時、燃焼室内に強い圧力波が発生し、筒内を往来する。その結果、ボア径や燃焼室形状に応じた周波数の圧力振動が発生する（これらの詳細な現象は、図11を用いて後述する）。この圧力振動は、エンジンの騒音の増大や図示熱効率の低下を招き、最悪の条件ではエンジンの破損に至る。そのため、ノッキングを起こさないようなエンジン設計とエンジン制御が行われている。
Fig.7(a) 正常燃焼の燃焼可視化動画
（Normal Combustion, Fuel: Gasoline, Compression Ratio: 14, Equivalence Ratio: 0.9, Engine Speed: 1200rpm）
Fig.7(b) ノッキングの燃焼可視化動画
（Knocking Fuel: Gasoline, Compression Ratio: 14, Equivalence Ratio: 0.9, Engine Speed: 1200rpm）
3) ノッキングの発生領域
図8に、SIエンジンでのノッキングの発生領域を模式的に示す。ノッキングの開始条件は、簡単に考えれば火炎伝播が完了する時刻と自着火が発生する時刻のどちらが先かである。つまり、以下の対策が基本となる。
①自着火を防ぐ
対策例） 高オクタン価燃料、吸気冷却、高温残留ガス低減、エンジン冷却など
②火炎伝播を短時間で完了させる（燃焼期間を短くする）
対策例）ガス流動の活用（乱れ強さ増大による火炎伝播速度増大、燃焼室内流動で火炎伝播の向きを変化させることで自着火しやすい部位の早期の燃焼を図るなど）、火炎伝播距離短縮（筒内流動による火炎伝播成長の偏りを考慮したうえでの最適な点火位置設定、コンパクト燃焼室、多点点火など）
一般的に、燃焼が行われている時間が長く、かつ火炎伝播速度が低い低速域において、火花ノックが発生しやすい傾向にある。
回転速度を増加させると、火炎伝播速度が増加し、自着火に許される時間的な余地が短くなるため、ノッキングが収まる傾向にある。図9に、ノッキング運転中のエンジンの回転速度を増加させた際のシリンダ内圧力の変化を示す。画面左上に黄緑色で記された4桁の数字がエンジン回転速度である。回転速度が増加すると、ノッキングが収まることが分かる。
ただし、高速域では、熱負荷の増大、残留ガス温度や残留ガス割合の増加などが起こるためか、高速ノッキングと呼ばれる現象が発生することが知られている。
このように、高速域で発生するノッキングを高速ノッキングと呼ぶ。高速ノッキングに対応させて、低速高負荷で生じる火花ノックを低速ノッキングと呼ぶこともある。
Fig.9 ノッキング運転中のエンジンの回転速度増加によるノック抑制
（音声付き：エンジン運転時の音を聴きながらご視聴ください）
4) ノッキング回避の重要性
エンジン高効率化のためには、高圧縮比でかつ最適な点火時期で燃焼することが必要である。図10に、点火時期を変化させた際の軸トルクを模式的に示す。左の図は、ノッキングが起こらない場合である。点火時期を最適な燃焼時期になるように進角させていくと、軸トルク（および燃費）が向上する。軸トルクは最大値を迎えた後、さらに点火進角すると軸トルクが低下に転じる。このとき、最大トルクを発生させるための最小の点火進角条件が最適と言えるが、これを、MBT（Minimum Advance for the Best Torque）と呼ぶ（Maximum Brake Torqueとも呼ばれる）。
高効率エンジンを実現するために、高圧縮比設計をしたとしても、MBTが取れずに点火時期を大幅に遅角する運転をするようでは、せっかくの高圧縮比エンジンのポテンシャルを発揮できない。そのため、エンジンの限界熱効率を向上するためには、ノッキングの限界の拡大が重要となる。
本編では、基本的なノッキング現象について説明した。次編では、ノッキングの強さに関係する圧力波や圧力振動について、動画を用いて説明する。
－点火から火炎伝播まで－ Ⅲ：ノッキングの基礎
- Spark Ignition to Flame Propagation III: Fundamentals of Knock Phenomena
Akira IIJIMA (JSAE ER Editorial Committee / Nihon University)