JPH02241950A - 内燃エンジンの燃焼光検出装置及びこの装置を備える内燃エンジン空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃エンジン空燃比制御装置に係り、特に、内
燃エンジンの燃焼室内の燃焼光から燃焼ガスの空燃比を
求めて供給燃料の空燃比をフィードバック制御する内燃
エンジン空燃比制御装置及びこの装置に用いる内燃エン
ジンの燃焼光検出装置に関する。

（従来の技術〕 内燃エンジンの空燃比を制御する従来の技術では、内燃
エンジンの排気管に酸素センサを取り付け、排気ガス中
の酸素濃度を検出して理論空燃比からのずれを求め、内
燃エンジンに供給する燃料の空燃比をフィードバック補
正している。しかしこの従来技術では、空燃比制御の応
答性が燃焼室から排気管の酸素センサ取り付は位置まで
の排気ガス流路の長さや形状に依存し、空燃比を正確且
つ迅速に制御することが困難であった。

そこで、特開昭５８−８２０３９号公報記載の従来技術
では、燃料ガス中のラジカル成分（ＯＨラジカル、ＯＨ
ラジカル）の発光強度を検出するために燃焼室内の燃焼
光を燃焼室外部に導出し、外部に導出した光の前記２つ
のラジカル成分発光光強度比から燃焼ガス自体の空燃比
を求め、この値で供給燃料の空燃比を補正している。

また、特開昭６３−４５５３５号公報記載の従来技術で
は、燃焼光のうち、近紫外域から可視領域内の特定の２
波長の光を取り出し、その光強度のピーク時間差から燃
焼ガス自体の空燃比を検出し、この値で供給燃料の空燃
比を補正している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、いずれも、燃焼光から取り出す２波長
成分が近紫外域から可視領域にあり、燃焼火炎中のラジ
カル成分からの発光波長帯（ＯＨラジカル３０６ｎｍ、
　ＣＨラジカル３９０ｎ＋ｓ、　４３１．５ｎｍ。

Ｃ２ラジカル４７３．７ｎｍ、　５１６．５ｎ＋ｗ、　
５６３．６ｎ＋ｅ、　６９１ｎｍ。

ＣＨＯラジカル３５１．２ｎｍ等）とその領域が同じで
ある。そして、従来技術では、ラジカル成分からの発光
強度が燃焼室内の混合気の空燃比によって変化すること
を利用して、該混合気の空燃比を求めている。

しかし、燃焼光を燃焼室外部に導出するプローブの燃焼
光検出面が汚れてきた場合には、上述した２波長成分の
光を正確に検出することができなくなり、精度良く燃焼
室内の混合気の空燃比を検出できなくなるという不具合
が生じてしまう、従って、この場合には、空燃比制御の
制御精度が劣化してしまうことになる。

本発明の第１の目的は、燃焼光検出面が汚れた場合にも
正確に燃焼室内の燃焼ガスの空燃比を検出できる内燃エ
ンジンの燃焼光検出装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、燃焼光検出面が汚れた場合にも
精度良く空燃比を制御できる内燃エンジン空燃比制御装
置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的は、燃焼光検出装置として、燃焼室から
導出した燃焼光のうちから選択的に取り出す２波長の光
を、近赤外域以上、あるいは光強度波形のピーク時期が
合致する領域、あるいはラジカル成分に影響を受けない
波長領域、あるいは燃焼火炎中の熱輻射による波長領域
から選択する構成とすることで、達成される。

上記第２の目的は、上記第１の目的を達成する燃焼光検
出装置を備え、該燃焼光検出装置が検出した燃焼室内混
合気の空燃比の値を使用して供給燃料の空燃比を制御す
る構成とすることで、達成される。

〔作用〕

燃焼火炎中の光には、ラジカル成分による発光と熱輻射
による発光が混在している。ラジカル成分による発光は
、１回の爆発行程中の経過時間において、その発光光の
ピークがラジカル成分毎にずれている。従って、前述し
た様に、燃焼光検出面が−れてくると、空燃比が検出で
きなくなる。

しかし、熱輻射による発光のうちの２波長の光の強度比
は、検出面の汚れに依存しないので、精度良く空燃比が
検出できる。このため、空燃比制御精度が向上する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

先ず１本発明の一実施例に係る内燃エンジンの燃焼光検
出装置の説明に先立ち、本発明実施例の原理を説明する
。

燃焼室内の燃焼光をプローブで取り出し、これを制御装
置に引き込む場合１通常は光ファイバを使用する。

既存の一般的な光フアイバケーブルの透過損失特性を考
慮すると、選択する２波長域は８００〜１６００ｎ■付
近が好適である。このような波長域の場合、前述したラ
ジカル成分からの発光波長帯と異なるので、従来技術で
述べた様な不具合が発生しない。

可視域を用いた従来技術の場合、２つの波長λ１′、λ
２′の光強度波形は第２図に示す様になる。

つまり、爆発行程すなわち燃焼サイクル時に、そのピー
ク時期が、ラジカルからの発光強度の影響を受は空燃比
によって変化する特性となる。一方。

近赤外域以上にした場合は、第３図に示した様に、２つ
の波長λ１．λ２の光強度波形はそのピーク時期が合致
し、燃焼ガス温度によって両者の比が変化するだけの単
純な特性となる。第４図はブランクの放射則より得られ
る黒体の放射スペクトル特性図であるが、ラジカル成分
からの発光がなければ図示の波長λ１′、λ２′のごと
き可視光域でも第３図のごとき信号波形が得られる。し
かし１石油系燃料の場合は炭素Ｃと水素Ｈの化合物であ
るため、燃焼時に上記各種ラジカル成分が必ず発生し、
また発光が行われる。その発光時期はラジカル成分によ
って異なるため、第２図のごとき波形となってしまう、
したがって１選択する２波長を、第４図の波長λ１．λ
２のごとく近赤外域に設定すると、ラジカル成分からの
発光の影響がなくなり、第３図のごとき波形が得られる
ようになる。

このような波形が得られる２つの波長帯λｈλ２の光強
度信号は、例えば第５図のごとき構成によって得られる
。エンジンの燃焼光を外部に導出する燃焼光プローブ１
の他端に二分岐光ファイバケーブル２を接続し１分岐し
た一方の端に波長λ１近傍の光のみを透過する光学フィ
ルタ３を設け、他方の端に波長λ２近傍の光のみを透過
する光学フィルタ４を設け、各フィルタ３，４の透過光
を夫々受光素子５，６で受けて電気信号に変換すれば良
い、尚１分岐した光ファイバを用いずに。

１本の光ファイバから燃焼光を取り出し、これを並置し
た２つのフィルタで夫々波長λ１．λ２の光を取り出し
、これを夫々光電変換器で電気信号に変換する構成でも
同じである。

一般に、波長λの放射光エネルギＥ（λ）は二二でｈニ
ブランクの定数 λ：波長、　Ｔ：温度 Ｃ：光速、　ｋ：定数 で表わされる。一方、光強度工は ■＝ε（ＣＯ２）・ε（μ）・Ｅ（λ）　　　　・・・
・・・・・・（２）ここでε（ＣＯ２）　：　Ｃ０２ガ
スの晟射率ε（μ）：検出面の透過率 で表わされる。従って、波長１皿、λ２の光強度１１＋
　　Ｉ２の電気信号ｖｉ　ｔ　Ｖ２の比をＶとすると、
となり、ε（μ）の項、すなわち汚れに伴う検出面の透
過率の変化はキャンセルされ、Ｅ（λ）だけの関数とな
る。ここで（３）式に（１）式を代入すると。

二二でα、βは定数 となり、温度Ｔのみの関数となり、汚れの影響は受けな
い値Ｖを得ることができる。以上のごとく。

本発明の燃焼光検出装置では：ラジカル発光の影響を受
けない熱輻射による波長域つまりガソリンエンジンにお
いては近赤外域の２つの波長帯λｈλ２の光を取り出し
て夫々を電気信号に変換するので、これ等の電気信号を
用いて各制御を行うことで、検出面の汚れに影響を受け
ない制御、例えば空燃比制御が可能となる。

第６図は本発明の一実施例に係る燃焼光検出装置の構成
図であり、第１図はこの燃焼光検出装置を備えた内燃エ
ンジンの空燃比制御装置のシステム構成図である。第６
図において、本実施例の燃焼光検出装置１０は、点火プ
ラグ一体型燃焼光プローブ１１と、末端側が２分岐した
光ファイバ１２と。

近赤外域以上のある波長の光を透過するフィルタ１３と
、近赤外域以上の別の波長の光を透過するフィルタＩ４
と、各フィルタ１３．１４を透過した光を電気信号に変
換する光電変換器ｔｓ、　１６で構成される。

第１図において、内燃エンジン２０の頭部には燃焼室２
１に臨む様に点火プラグ一体型燃焼光プローブ１１が取
り付けられ、吸気管２２には燃料噴射弁２３が取り付け
られている。制御装置２４内には、前述した各フィルタ
１３．１４及び光電変換器１５．１６その他の演算装置
等が設けられており、燃焼光検出袋Ｗ１０で検出した燃
焼ガスの空燃比が理論空燃比となるように供給燃料量を
演算し、燃料噴射弁２３を制御するようになっている。

また、制御装置２４は、図示しないエンジン冷却水温セ
ンサやクランク角センサ等の検出値に応じた点火時期を
演算して点火信号を点火装置２５に送出し、点火装置２
５が点火プラグ１１に高電圧を印加するようになってい
る。

プローブ１．１によって燃焼室２１外部に導出した燃焼
光は、２分岐光ファイバ１２で等光量に分岐され。

各フィルタ１３．１４で夫々選択された近赤外域の光が
分波される。

例えば光学フィルタ１３は第７図のλ１のごとく波長８
００ｎｍ付近の光のみを透過し、光学フィルタ１４は第
７図のλ２のごとく波長１３００ｎｍ付近の光のみを透
過する特性のものを使用する。光学フィルタ１３．１４
で各々分波された光は夫々受光素子１５゜１６に導かれ
光電変換される。この場合、受光素子１５は第８図に示
したごとくλ＝’８００ｎｍ付近に最高感度があるもの
を、受光素子１６は第９図に示したごとくλ”１３００
ｎｍ付近に最高感度があるものを使用する−例えばこれ
らの素子１５．１６としては、フォトダイオード、フォ
トトランジスタが挙げられる。尚、λ＝８００〜１３０
０ｎｍ付近に分光感度を有する受光素子であれば、受光
素子１５．１６とも同一特性のものを使用しても良い。

第１０図は光電変換素子１５．１６と、その空燃比演算
回路の一構成図である。受光素子１５．１６としてはフ
ォトトランジスタを例にとって示しである。

第８図、第９図に示したごとき特性を有する受光素子１
５．１６には、第７図のごとき透過特性を有した光学フ
ィルタ１３．１４を介して近赤外域以上の特定の２波長
の帯域の光が各々照射される。受光素子１５．１６では
照射された特定の波長の光強度に応じて光電流が生じ、
各エミッタ・アース間に接続された負荷抵抗３０．３１
の両端間にそれぞれ受光した光強度に応じた電位差が生
じる。このそれぞれの電位差は増幅器３２．３３で各々
所定の倍率に増幅され、上記両波長帯の総合的なゲイン
（光ファイバの透過損失特性、光学フィルタの透過特性
、受光素子の分光感度特性よって定まる各々の特定波長
の光の総合伝送変換効率）が調整される。抵抗３４．３
５と３６．３７は各々の増幅器３２．３３の増幅倍率設
定用の抵抗である。増幅器３２．３３の出力はマルチプ
レクサ３８に接続され、マイクロコンピュータ４０から
の指令信号で交互にＡ／Ｄコンバータ３９に導かれてデ
ィジタル信号に変換され、マイクロコンピュータ４０に
伝送される。

第１１図は、増幅器３２と３３からの出力信号をディジ
タル信号に変換する場合の一例を示したものである。所
定のクランク角度信号ＣのスタートパルスＣ５によって
、マルチプレクサ３８、Ａ／Ｄコンバータ３９の動作は
開始される。増幅器３２の出力信号をｖト増幅器３３の
出力信号を■２として以下説明する６スタートパルスＣ
Ｓがくると、これからΔを時間ごとにＡ／Ｄコンバータ
３９では信号のディジタル変換が行われる。マルチプレ
クサ３８ではこのΔを時間間隔でＶｌ　ｔ　Ｖ２の信号
を切換えてＡ／Ｄコンバータ３９に導く役割を果す。第
１１図の例では、スタートパルスＣｓ後、まず■の時点
でｖＩの信号がＡ／Ｄコンバータ３９と接続されてディ
ジタル信号に変換され１次に■の時点でＶ２の信号がＡ
／Ｄコンバータ３９と接続されてディジタル信号に変換
され、次に■の時点でＶｌの信号・・・・・・という具
合に、順次Ａ／Ｄ変換されていくことになる。従って、
サンプリング間隔Δｔは短いほど高精度に信号変換が行
われることになる。しかし、Ａ／Ｄコンバータ３９の変
換速度が十分でない場合、前回と今回のディジタル信号
、例えば第１１図の（和と■のデータより線補間して、
その間のデータを演算によって外挿して求めるというこ
とを行えば良い。

上記Ａ／Ｄコンバータ３９による変換はクランク角度信
号ＣのエンドパルスＣ８がくるまで続けられ、それ以降
は変換は停止している。

Ａ／Ｄコンバータ３９でディジタル化されたＶＩ＋Ｖ　
２　）信号をＤＶＩ、ＤＶ２とすると、コ（７）ＤＶＤ
Ｖ２はマイクロコンピュータ４０で第１２図のごとく信
号処理される。先ずステップ１で入力されたＤＶＩＩ　
ＤＶ２はステップ２で割り算されＤＶの値を得る。次の
ステップ３では制御装置２４内に設けられた図示しない
ＲＡＭにこのＤＶ値を格納し。

ステップ４でＣｅパルスがきたかどうか判定し、まだ来
ない場合にはステップ１に戻り、上記と同様のことを繰
返す。一方、Ｃｅパルスが来た場合には上記演算を停止
し、ＲＡＭ内に格納したＤＶのデータのマイクロコンピ
ュータ４０による呼び出し待ちの状態にしておく。

以上の動作により、近赤外域以上の特定の２波長の光の
各燃焼サイクルごとの光強度比の信号が得られ、燃焼光
検出面の汚れの影響を回避した出力を得ることができる
。

本実施例では、上述の様にして得たＤＶ値を使用し、内
燃エンジン２０に供給する燃料の空燃比を理論空燃比に
フィードバック制御するにれは次の様にして行う。制御
装置２４内の図示しないＲＯＭしこは、理論空燃比の燃
料を燃焼したときに発光する８００ｎ＋ｍと１３００ｎ
ｍの光強度の比を示す設定値を格納しておく、そして、
マイクロコンピュータ４０は、ＲＡＭからＤＶ値（各Ｄ
Ｖ値を読み出す必要は無く、例えばＶ、とｖ２のピーク
値の比にあたるＤＶ値のみ読み出せば良い）を読み出し
、更にＲＯＭから前記設定値を読み出してＤＶ値と設定
値とを比較する。そして、燃料噴射弁２３の開弁時間Ｔ
Ｐを演算するときに、ＤＶ値の設定値からのずれを勘案
し、実際の燃焼ガスの空燃比が燃料り−ンの場合には開
弁時間Ｔｐが長くなるように、燃料リッチの場合には開
弁時間ＴＰが短くなるように演算し、演算した開弁時間
’ｒｐだけ燃料噴射弁２３を開弁じ、所要の燃料量を吸
気管２２内に噴射供給する。

このように、実際の燃料ガスの空燃比を直接制御するこ
とで、排気ガスの浄化率が向上し、また制御応答性も向
上する。更に、近赤外域以上の２つの波長の光強度比で
空燃比制御を行うので、燃焼光検出面が燃焼ガス中に含
まれる炭素や燐酸カリウム等で汚損されても、正確な空
燃比制御が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明の燃焼光検出装置によれば、燃焼光検出面が汚損
しても燃焼ガスの正確な空燃比を検出することができる
。また１本発明の空燃比制御装置によれば、経時的に制
御精度が劣化することなく応答性良く且つ正確に供給燃
料の空燃比を制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る内燃エンジン空燃比制
御装置の制御システム概要図、第２図は燃焼光のうち可
視域にある２波長信号の強度波形図、第３図は燃焼光の
うち近赤外域以上の２波長信号の強度波形図、第４図は
可視域と近赤外域の放射光強度特性図、第５図は本発明
の一実施例に係る燃焼光検出装置の原理構成図、第６図
は本発明の一実施例に係る燃焼光検出装置の構成図、第
７図は第６図の燃焼光検出装置に備えられた光学フィル
タの透過特性図、第８図及び第９図は第６図の燃焼光検
出装置に備えられた光ｆ１１変換素子の感度特性図、第
１０図は第１図に示す制御装置の要部構成図、第１１図
は検出信号のサンプリング説明図、第１２図は演算処理
手順を示すフローチャートである。 ■０・・・燃焼光検出装置、１１・・・点火プラグ一体
型燃焼光プローブ、　１２・・・光ファイバ、１３．１
４・・・フィルタ、　１５．１６・・・光電変換素子、
２０・・・内燃エンジン、２１・・・燃焼室、２２・・
・吸気管、２３・・・燃料噴射弁、２４・・・制御装置
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃エンジンの燃焼室内の燃焼光を該燃焼室外部に
   導出するプローブと、該プローブにより導出された燃焼
   光のうち近赤外域以上にある特定の２波長の光を夫々電
   気信号に変換する光電変換器とを備えて成ることを特徴
   とする内燃エンジンの燃焼光検出装置。 ２、内燃エンジンの燃焼室内の燃焼光を該燃焼室外部に
   導出するプローブと、該プローブにより導出された燃焼
   光のうち光強度波形のピーク時期が合致する２波長の光
   を取り出して夫々電気信号に変換する光電変換器とを備
   えて成ることを特徴とする内燃エンジンの燃焼光検出装
   置。 ３、内燃エンジンの燃焼室内の燃焼光を該燃焼室外部に
   導出するプローブと、該プローブにより導出された燃焼
   光のうち前記燃焼室内で発生するラジカル成分に影響を
   受けない波長領域の２波長の光を夫々電気信号に変換す
   る光電変換器とを備えて成ることを特徴とする内燃エン
   ジンの燃焼光検出装置。 ４、内燃エンジンの燃焼室内の燃焼光を該燃焼室外部に
   導出するプローブと、該プローブにより導出された燃焼
   光のうち燃焼火炎中の熱輻射による光の２波長を取り出
   して夫々電気信号に変換する光電変換器とを備えて成る
   ことを特徴とする内燃エンジンの燃焼光検出装置。 ５、吸気管に配設した燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から
   前記吸気管に供給する燃料量を制御する制御装置と、請
   求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃エンジンの
   燃焼光検出装置とを備えて成り、該燃焼光検出装置が検
   出した２波長の光に対応する２つの電気信号の強度比を
   演算する手段と、該強度比の演算値と所定空燃比に対応
   する設定値とを比較して前記演算値が前記設定値となる
   方向に前記燃料量を演算する手段とを前記制御装置に設
   けたことを特徴とする内燃エンジン空燃比制御装置。