JPH03160142A

JPH03160142A - 燃焼光センサ

Info

Publication number: JPH03160142A
Application number: JP29676289A
Authority: JP
Inventors: Minoru Osuga; 稔大須賀; Takashige Oyama; 宜茂大山; Hiroshi Kuroiwa; 弘黒岩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1989-11-15
Publication date: 1991-07-10
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JP2966862B2

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〕本発明は燃焼光センサに係わり、特に、内燃機関の燃焼
光から燃焼時の空燃比を検出する燃焼光センサに関する
。

〔従来の技術〕

内燃機関の燃焼光から燃焼時の空燃比を検出する燃焼光
センサとして公知のものに特開昭６２−９３４８５号公
報に記載のものがある。この燃焼光センサは、光検出部
で内燃機関の燃焼光を導出し、燃焼光中のラジカル成分
、例えばＣＨ及びＣ２のラジカル成分を取り出し、それ
らの比をとり、空燃比を求める構成となっている。

なお、自動車技術会、第４回ガソリン機関計測分科会資
料（昭和６３年１月２８日）には、ボイラーなどの定常
火炎バーナーの火炎光につき同様にラジカル成分を取り
出して空燃比を求める方法が、特開昭５７−１６３８４
１号公報には、点火プラグに光ファイバからなる光検出
部を取り付け、エンジンの燃焼時の温度を測定するもの
が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

特開昭６２−９３４８５号公報に記載の従来装置では、
燃焼光中のラジカル成分のみを．正確に取り出す最適な
検出時期、他の光成分の除去及び最適な光検出部の形状
、配置等について配慮されておらず、空燃比を正確に測
定することは困難であった。

本発明の目的は、内燃機関の燃焼光中の空燃比に関する
光成分のみを正確に検出でき、空燃比の検出精度を向上
できる燃焼光センサを提供することである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記目的を達成
するためは、本発明によれば、内燃機関の燃焼光を外部
に導出する光検出手段と、前記光検出手段の光出力から
少なくとも１つのラジカル成分を示す特定の波長の光を
選択し、対応する出力値から空燃比を求める処理制御手
段とを備えた燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段
は、前記内燃機関の点火時斯から燃焼圧がピーク値を示
す時期までの期間中の特定の時期に前記特定の波長の出
力値を求め、この出力値から前記空燃比を求めることを
特徴とする燃焼光センサが提供される。

特定の波長の光は内燃機関の点火直後から爆発行程の終
わりまでに時系列的に２つのピーク値を有し、最初のピ
ーク値は点火後で火炎核成長の初めに対応する。本発明
では、前記特定の時期をその最初のピーク値相当の時期
とすることにより、火炎核威長の初めの時期には光検出
手段の燃焼室内検出部の周囲にラジカル成分が主に存在
するので、正確にラジカル成分を検出できる。

最初のピーク値相当の時期を選択するは特定の波長の出
力値をピークホルドすればよい。なお、最初のピークは
、内燃機関の点火時期から３０’クランク角までの期間
中または内燃機関の圧縮行程の上死点の４０°クランク
角前から１０°クランク角後までの期間中にあるので、
その期間中の１時期を選択してもよい。

また、本発明によれば、前記処理制御手段は、前記特定
の波長の光に対応する出力値について前記ラジカル或分
に依存しないオフセット値を求め、前記出力値からこの
オフセット値を引いた後の値から空燃比を求めることを
特徴とする燃焼光センサが提供される。

ラジカル成分に相当する波長帯には主燃焼、シリンダ、
ピストン等からの熱放射分が存在しており、ラジカル成
分の特定の波長の光に対応する出力値にはこれらの影響
が含まれている。したがって、これをオフセット値とし
て求め、出力値から差し引くことによりその影響を除去
でき、ラジカル成分のみを正確に検出できる。

さらに、本発明によれば、内燃機関の燃焼光を外部に導
出する光検出手段と、前記光検出手段の光出力から複数
個のラジカル成分をそれぞれ示す複数の特定の波長の光
を選択し、対応する複数の出力値の比をとり、その比か
ら空燃比を演算する処理制御手段とを備えた燃焼光セン
サにおいて、前記処理制御手段は、前記複数の特定の波
長の光に対応する複数の出力値の各々について前記ラジ
カル成分に依存しないオフセット値を求め、前記各出力
値からこのオフセット値を引いた後の値から前記比をと
り、空燃比を求めることを特徴とする燃焼光センサが提
供される。

複数個のラジカル成分の出力値からオフセット値を引い
た後の値の比をとり、空燃比を求めることにより、ラジ
カル成分単独の場合よりも汚れ、温度の影響が除去でき
、空燃比の検出精度が向上する。

ラジカル成分を示す特定の波長の出力値からオフセット
値を引く場合には、特定の波長の出力値を求める時期を
特定の時期に選定してもよいが、内燃機関の燃焼サイク
ルの所定の期間で前記比の平均をとり、その値から空燃
比を求めてもよい。

また、本発明によれば、点火プラグの中心電極を軸方向
に貫通する光ファイバを有し、この光ファイバにより内
燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出部を構成する点
火プラグ内蔵型の燃焼光センサにおいて、前記中心電極
の横方向に接地電極を配置し、その先端を中心電極の先
端外周部に対面させたことを特徴とする燃焼光センサが
提供される。

接地電極の先端を中心電極に対してこのような関係で配
置することにより、光ファイバの視野が接地電極に妨げ
られないので、点火後で火炎核成長の初めの光、すなわ
ち、ラジカル威分が入射しやすい構造となり、ラジカル
威分の観察が容易となる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適実施例を図面により説明する。

まず、本発明の一実施例による燃焼センサの光検出部を
第１図により説明する。

第１図において、光検出部１は点火プラグ内蔵型であり
、点火プラグの中心電極２の中心を軸方向に貫通する石
英の光ファイバ３が設けられている。光ファイバ３の先
端は中心電極２から少し突出しており、内燃機関の燃焼
光がファイバ３を通して外部の回路に導出される。中心
電極２には光電圧端子４から高電圧が供給される。接地
電極５は中心電極２の横方向に位置し、その先端が中心
電極２の先端外周部に対面している。

高圧端子４から高電圧を供給すると、光検出部１は点火
プラグとして機能し、中心電極２と接地電極５の間に火
花が形成される。燃焼室内の火炎はこの火花により形威
され、ここから戊長ずる。

このため、光ファイバ３は火炎の或長初期からの光を検
出することができる。

また、接地電極５の先端を中心電極２の先端外周部に対
面させたので、光ファイバ２の視野が接地電極５に妨げ
られず、火炎の成長初期の光が入射し易い構造となって
いる。以下、この点を第２図により説明する。

第２図は点火プラグの中心電極２および接地電極５近傍
の火炎の成長初期の状態を示すものである。２０は電極
間に発生する火花で、２１は光検出部、すなわち、光フ
ァイバ３の視野を示している。第２図（ａ）は本実施例
の光検出部１を、第２図（ｂ）は従来の光検出部を示す
。

火花２０の付近には、燃焼中の燃料粒子２４、ラジカル
威分２２、未燃の燃料粒子２３が順次存在しており、光
ファイバ３の視野２１内にラジカル成分２２が多く分布
した方が検出時のＳ／Ｎが高くなる。なお、これらの点
は本発明の原理の関連で後述する。

第２図（ａ）では、中心電極２の横に接地電極５がある
ために、光ファイバ３の視野２１は接地電極５に防げら
れることはない。このため、ラジカル成分２２が良く観
察することができる。一方、第２図（ｂ）では、接地電
極５Ａが光ファイバ３の視野２１を妨げているので、ラ
ジカル威分２２を検出するのは困難である。

なお、ここでの視野とは、受光量の半値幅を示す角度を
視野角とした範囲を示している。

以上のように、本実施例の光検出部１は点火プラグに内
蔵されかつ接地電極５の形状、配置に特徴があり、火炎
の成長初期からの光、特にそのラジカル成分２２を容易
に検出することができる。

第３図に光検出部１を含む燃焼光センサ全体の構成を示
す。光検出部１はエンジン６に取り付けられており、燃
焼室７内の燃焼光は光検出部１により導出され、ファイ
バーケーブル８を通って信号処理回路９に導びかれる。

処理回路９内でその光は光電変換され、その結果得られ
た電気信号がコントロールユニットｌＯに送られる。

ユニット１０ではこの電気信号を基づき空燃比が演算さ
れ、この値からエンジン６の点火時期およびエンジン６
に供給される燃料噴射量が決定される。前者の点火時期
に関する信号は、点火回路１１を介して点火プラグ接続
部１２の高電圧端子１３に点火信号が送られる。一方、
後者の燃料噴射量の信号は燃料噴射弁１４に送られ、そ
の信号に相当する燃料量が燃焼室７に供給される。

以上の燃焼光センサは、燃焼室７内の燃焼光から燃焼室
内の点火プラグ電極２の近傍の局所空燃比を検出する。

空燃比の検出は１点火機会毎に１回実行される。このた
め、エンジンの１燃焼サイクル毎の空燃比が気筒毎に検
出できる。すなわち、空燃比の気筒毎、サイクル毎の制
御が可能になる。

次に、第４図〜第１０図を用いて本発明の原理を説明す
る。

第４図に、燃焼光の波長人と光出力の関係を示す。燃焼
光中には、燃料が励起されて種々の化学種がラジカル化
され、異った波長の光を出す化学発光を行う。ラジカル
の成分としては、ＯＨ，ＣＨ，ＯＣＯ，Ｃ２がある。こ
のうち、ＯＨ，ＣＨ，Ｃ２ラジカルが空燃比と密接に関
係している。本発明では、空燃比検出のためのラジカル
として、波長λが４３１．５ｍｍのＣＨラジカルと、５
１７ｍｍのＣ２ラジカルを用いる。この場合、この波長
帯の光出力には、ラジカル成分以外に、主燃焼、シリン
ダ、ピストンからの熱放射による成分が加算されており
、この分が誤差となる。ラジカル成分のみを検出するに
は、この熱放射分を差し引く必要がある。

第５図に光出力（イ）と、点火時の２次電流の時間変化
を示す。光出力（イ）は、ＣＨラジカルに相当するλ＝
４３１．５ｍｍ付近の出力である。

電流値（ロ）は、点火時期から点火プラグの電極間に火
花が形成されている期間中出力されている。

光出力（イ）は、放電直後に第１のピーク値Ａを示し、
主燃焼時に第２のピーク値Ｂを示す。この第１のピーク
値にラジカル成分が主に表われる。

また、第２のピーク値は燃焼圧のピーク値と一致してい
る。

第５図に示す光出力（イ）の第１のピーク値Ａがラジカ
ル成分を示す理由を第６図に示す。第６図は、点火プラ
グの中心電極２および接地電極５近傍の燃料粒子の様子
を示したものである。２０は電極間に発生する火花で、
２１は光検出部、すなわち、光ファイバ３（第１図参照
）の視野を示している。第６図（ａ）は電極２，５の火
花放電初期、第６図（ｂ）は火花放電後期、第６図（ｃ
）は主燃焼初期の様子である。なお、光ファイバ３の視
野２１と電極２．５および火花２０とのこの位置関係は
説明の都合上のものであり、実際の位置関係とは正確に
は一致していない。

第６図（ａ）に示す斜線の粒子２２はラジカル成分を示
している。また、白丸２３は反応前の燃料粒子を示して
いる。電極２，５の火花放電により燃料粒子２３が活性
化され、ラジカル成分２２が成生される。このラジカル
成分２２は化学発光し、特有の波長の光を発する。この
光が光検出部１の光ファイバ３で検出される。

第６図（ｂ）では、ラジカル成分２２が主燃焼へ移る。

燃焼している粒子を黒丸２４で示す。この状態では、ラ
ジカル成分２２が光ファイバ３の視野内に広がり、光出
力値は第１のピーク値Ａを示す。第６図（Ｃ）では、ラ
ジカル成分２２は視野の外に出てしまうので、光出力は
やや低下する。

この状態は、第５図の光出力（イ）のＣ点付近に相当す
る。

以上のラジカル成分２２の検出は、前述したように光フ
ァイバ３の視野２１を妨げないように接地電極５を配置
することにより正確に行うことができる。

第７図に、空燃比（Ａ／Ｆ）を変化させた場合のクラン
ク角度に対するＣＨ，Ｃ．ラジカルの波長付近の光出力
の関係を示す。Ａ／Ｆが変化すると光出力も変化する。

光出力のピークは２回あり、両者の値ともＡ／Ｆにより
変化している。２回目のピークは主燃焼からの熱放射に
よるもので、ラジカル成分の変化は示していない。１回
目のピークは、前述のようにラジカル成分を示しており
、この１回目のピークはＡ／Ｆの関数となっている。

以上より、ＣＨ，Ｃ２等のラジカル成分の波長を示す光
出力の１回目のピーク値を検出することによりラジカル
成分を正確に検出でき、正確な空燃比を求めることがで
きる。

ＣＨ，Ｃ２等のラジカル成分単独でもＡ／Ｆは検出でき
るが、汚れ、温度の影響などを除くために、例えばＣＨ
，Ｃ２ラジカルの比をＡ／Ｆの出力としたほうがよい。

このラジカル成分の比からＡ／Ｆを求める原理を第８図
に示す。それぞれの波長に対応する光出力の第１のピー
ク値ＡＩ，Ａ２点をホールドする。

このときの値をＶＣＨ，　　ＶＣ２とする。この値を下
記の　（１）式に代入する。

Ｒ　−　１　ｏ　ｇ　（ＶＣ２／　ＶＣＨ”）　　　　
　　−　（１）Ｒはラジカル成分の比であり、この値が
Ａ／Ｆに関係している。

なお、第８図から分かるように、第１のピーク値ＡＩ，
Ａ２は内燃機関の点火時期から３０°クランク角までの
期間中にあり、また内燃機関の圧縮行程の上死点の４０
°クランク角前から１０°クランク角後までの期間中に
ある。

第９図は、Ｒの値をクランク角度を横軸にして示した図
である。各Ａ／ＦでのＲの最小値Ｍｌ，Ｍ２，Ｍ３点が
第８図の第１のピーク値ＡＩ，Ａ２の比に相当する。こ
のＲの最小値Ｍｌ　，　Ｍ２　，Ｍ３がＡ／Ｆに対応し
ている。

第１０図にＲを正確に求める方法を示す。第１０図にお
いて、光出力の第１のピーク値Ａはこの図から分かるよ
うにオフセット値Ｄを含んでいる。

このオフセット値Ｄは、主にシリンダ、ピストン、燃焼
からの熱放射分で、運転状態により変化する値である。

ラジカル成分のみを抽出する場合には、このオフセット
値をＡ点の出力から引いておく必要がある。このオフセ
ット値Ｄは、燃焼が終る排気行程の初めから点火時期ま
での期間Ｅ内に予め測定しておく。Ａ点をピークホール
ドした後にオフセット値Ｄを差し引き、その燃焼サイク
ルでの出力値とする。このようにすれば、ラジカル成分
が正確に検出できる。

第１１図に、以上の原理に基づく本発明の一実施例によ
る燃焼光センサの信号処理部の具体的構威を示す。

第１１図において、光検出器１の光出力は光学フィルタ
ー３０．３１に入力される。この光学フィルター３０．
３１は特定の波長の光のみを通すものである。例えば、
フィルター３０はＣＨラジカル成分を示す波長λ＝４３
１．５ｍｍの光のみを通し、フィルター３１はＣ２ラジ
カル成分を示すλ＝５１７ｍｍの光のみを通すものであ
る。それぞれのフィルターからの光は光電変換素子３２
，３３に入力され、電気信号に変換される。この信号の
測定を点火直後から開始し、第１０図に示すＡ点の第１
回目のピーク値をピークホールド回路３４，３５でホー
ルドする。一方、第３のホールド回路３６は、第１０図
の期間Ｅ内のある点でオフセット値Ｄをホールドする。

次に、ホールドされたピーク値Ａとオフセット値Ｄを引
き算器３７，３８で引き、ラジカル成分のみを抽出する
。その後、両者の値を割り算器３９で割り、ラジカル比
Ｒを求める。

なお、第１１図の構成では、ホールド回路３６をピーク
ホールド回路３３に接続し、ピークホールド回路３３の
出力からオフセット値を求めたが、光検出器１の光出力
からオフセット値を求めてもよく、この場合は、光検出
器１の光出力を直接電気信号に変換する第３の光電変換
素子を設け、この光電変換素子をホールド回路３６に接
続すればよい。

ラジカル成分の比からＡ／Ｆを求める別の方法の原理を
第１２図に示す。図示の光の波長は、例えば、ＣＨラジ
カルのλ＝４３１．５ｍｍである。

第１２図中、実線の特性（イ）は出力そのものであり、
破線の特性（ロ）は（イ）の出力の内の熱放射分である
。出力が第１のピーク値Ａを示すところで（イ）の出力
と（口）の出力との差Ａ！は大きい。この差Ａ！がラジ
カル成分に対応している。

第１０図の例では、点火前の期間Ｅの出力Ｄをオフセッ
ト値としたが、正確には特性（ロ）の値Ａｂがその時点
での熱放射分に相当し、これをオフセット値とした方が
精度は向上する。

第１３図（ａ）に、点火時期を変化させた場合の出力特
性を示す。特性（ハ）および（二）は点火時期のみが異
なるＣＨラジカルの出力波形である。点火時期が異なる
と、光の出力自体（実線）は変わってしまう。しかし、
点線の熱放射分を差し引いたラジカル成分を示す出力Ａ
Ｉ，Ａ’！はＡ／Ｆが同じなので変化しない（Ａａ　＝
Ａ’ａ）。第１０図の例のように点火前の出力Ｄをオフ
セット値とすると、（ハ）および（二）の両者でオフセ
ット値が同じなので、オフセット値を差し引いた値は異
なる値となる。

第１３図（ｂ）は第ｌ３図（ａ）の実線の出力と破線の
熱放射分の出力との差を示す。図中、実線（ホ）の特性
は第１３図（ａ）の特性（ハ）に対応し、一点鎖線（へ
）の特性は第１３図（ａ）の特性（二）に対応する。特
性（ホ）の値は、点火時期まではほぼ０であり、ラジカ
ル成分が発光しだすと上昇し、第１のピーク点八でこの
差もピーク値Ａａを示す。この値ＡＩはＡ／Ｆが同じで
ある限り点火時期を（へ）のように変化しても同じ値（
ＡＩ　＝Ａ’ｘ）となる。この（ホ）、（へ）の特性値
は主燃料が初まる時期に零となる。この方法によればピ
ーク値が１つであるので、ピーク値の誤検出が少なくな
る。

以上より、第１２図の特性（イ）の出力そのものと特性
（ロ）の熱放射分の出力との差をとり、そのピーク値Ａ
Ｉをオフセット値とした方がラジカル成分の検出精度は
一層向上する。

この場合も、ラジカル成分単独でもＡ／Ｆは検出できる
が、汚れ、温度の影響などを除くために、例えばＣＨ，
Ｃ２ラジカルの比をＡ／Ｆの出力としたほうがよい。第
１４図に、前述した（１）式により求めたその比Ｒの値
を、第９図と同様にクランク角度を横軸にして示す。こ
の図から分かるように、Ｒの値は空燃比Ａ／Ｆに関係す
ると共に、各Ａ／ＦでのＲの値はほぼ一定となる。

第１５図に、以上の原理に基づく燃焼光センサの信号処
理部の構成の一実施例を示す。

第１５図において、光検出器ｌの光出力は光学フィルタ
ー４０．４１．４２．４３に入力される。

フィルター４０はλ＝４３１．５ｍのＣＨラジカル戊分
の光のみを通し、フィルター４１は第４図に示すＰＩ点
またはＰｚ点のＣＨラジカル威分近傍の熱放射分の光の
みを通し、通過波長は、例えばＰｉ点でλ＝４２０閣、
Ｐ２点でλ＝４５０ｍのＢ点である。フィルター４０、
４１からの光は光電変換素子４４、４５により電気信号
に変換されて引き算器４８に入力され、ＣＨラジカル成
分のみが抽出される。

一方、フィルター４２はλ＝５１７ｍｍのＣ２ラジカル
成分の光のみを通し、フィルター４３は第４図に示すＱ
ｌ点またはＱ２点の０２ラジカル成分金簿追うの熱放射
分の光のみを通し、通過波長は、例えばＱｌ点でλ＝５
１０印、Ｑ２点でλ＝５２５ｍｍである。フィルター４
２、４３からの光は光電変換素子４６、４７で電気信号
に変換されて引き算器４９に入力され、Ｃ２ラジカル成
分のみが抽出される。

すなわち、引き算器４８．４９では、光電変換素子４５
で得た第４図Ｐ１点またはＰ２点の出力、または光電変
換素子４７で得たＱｌ点またはＱ２点の出力をそれぞれ
光電変換素子４４．４６で得た出力の第１のピーク点で
のオフセット値と見なし、光電変換素子４４．４６の出
力からその値を差し引いて第１３図（ｂ）の出力を得る
。

引き算器４８、４９からの出力は、それぞれ、ピークホ
ールド回路５０、５１に入力されて、第１３図（ｂ）の
ＡＩのようなピーク値がホールドされる。この値は割り
算器５２に入力されて、ラジカル比Ｒが計算される。

第１６図に上記原理に基づく別の実施例を示す。

第１６図において、引き算器４８．４９で光電変換素子
４５．４７の出力をオフセット値として引いた後、その
値をそのまま割り算器５５でＣＨ，Ｃ２ラジカル成分に
相当する信号の比Ｒをとる。

この比Ｒを演算した後にピークホールド回路５３で比Ｒ
の値の最小値を求める。割り算器５２で比をとるときの
ＣＨ，Ｃ２ラジカル成分の分子、分母が逆の場合には最
大値を求める。

このようにすれば、ピークホールドをラジカル成分の各
々について行う必要はなくなる。また、ＣＨ，Ｃ２ラジ
カル成分の出力の第１のピーク値は、クランク角で異な
った場所に現れる可能性もある。この場合、比Ｒのピー
クを求める構成にしておけば、同じクランク角の値を用
いることになり、空燃比の検出がより正確となる。

なお、この考えは第１１図の実施例にも適用１ることが
できる。この構成を第１７図に示す。Ｃ中、Ｖｏｌｌｓ
ｅｌが光電変換素子３６に対応するオ：セット値である
。この実施例では、結局、第９εのＭｌ，Ｍ２，Ｍ３点
の値Ｒを検出し、出力信｛としていることになる。

第１８図に第１２図〜第１４図に示す原理を京用した実
施例を示す。

上述したように、第１２図の特性（イ）の出ノそのもの
と特性（口）の熱放射分の出力との差４とってＣＨ，Ｃ
２ラジカル成分の出力を求め、【の比Ｒを求める場合は
、Ｒの値は第１４図に示づように空燃比Ａ／Ｆに関係す
ると共に、各Ａ／ＦでのＲの値はほぼ一定となる。すな
わち、第ｔ（ピーク値以外でＲの値を求めても、ほぼ同
じ値苓求めることができるので、必ずしもピークホーノ
１ドをする必要がない。本実施例はこのような知ふに基
づくものである。

第１８図において、引き算器４８．４９で光電変換素子
４５．４７の出力をオフセット値として引いた後、その
値をそのまま割り算器５５でＣＨ，Ｃ２ラジカル成分に
相当する信号の比Ｒをとる。

この比Ｒを演算した後に、平均値回路５４で燃焼サイク
ルの所定の期間でＲの値の平均をとり、この値から空燃
比を求める。

平均値をとる期間は、ラジカル成分が比較的多く現れる
方がラジカル成分の検出が容易であるので、第１のピー
ク値を含む期間、例えば前述した点火時期から３０°ク
ランク角までの期間、または圧縮行程の上死点の４０’
クランク角前から１０°クランク角後までの期間が好ま
しい。ただし、点火時期から爆発行程の終わりまでの燃
焼期間全体、または燃焼サイクル全体でも構わない。

このようにＲの値の平均値をとることにより、より正確
な空燃比の検出が可能である。

なお、本実施例はＲの値の平均値を求めたが、上述した
ようにどのクランク角のＲの値でもほぼ同じであるので
、燃焼サイクル中の第１のピーク値以外の一時期を適宜
設定し、そのときのＲの値から空燃比を求めてもよい。

第１９図に上述した実施例の信号処理をマイクロコンピ
ュータで実現する場合の装置構成を示す第１９図におい
て、光検出器１の出力信号はＣＨ，Ｃ２ラジカルに相当
する光学フィルタ６０．６１を介して、光電変換器６２
．６３に導びかれる。光電変換器６２．６３からの出力
信号は、マルチプレクサ６４の動作により交互にＡ／Ｄ
変換器６５に送られる。Ａ／Ｄ変換器６５の動作はイン
テリジェントＡ／Ｄ　（以下ｒｌ−Ａ／ＤＪという）６
６により制御される。Ｉ−Ａ／Ｄ６６では、サンプル点
の累積加算、平均値計算がＣＰＵ６７の命令なしに実行
される。ＣＰＵ６７にはその結果のみが送られる。すな
わち、ｃＰＵ６７はＡ／Ｄ制御のために時間を費やす必
要はない。

第２０図にＩ−Ａ／Ｄ６６の構成を示す。Ｉ−Ａ／Ｄ６
６は、Ｉ−Ａ／Ｄ制御′回路７０．データ格納のレジス
タ７１、合計値を格納するレジスタ７２、演算部７３、
結果をＣＰＵ６７に送るための一時格納レジスタ７４か
ら構成されている。

マルチプレクサ６４により順次送られてくるデータは複
数個のレジスタ７１に格納される。これらのデータは、
演算部７３で累積加算される。この結果は、次の加算に
使うためにレジスタ７２に格納される。また、この結果
は、ＣＰＵ６７にロードされるために、レジスタ７４に
ＣＨ，ｃ，ラジカルのデータ毎に格納される。したがっ
て、ＣＰＵ６７は、データがほしいときにレジスタ７４
をロードすればよく、ＣＰＵ６７の負荷は大幅に低減さ
れる。Ｉ−Ａ／Ｄ制御回路７ｏは、Ａ／Ｄ変換器６５の
スタート、エンド制御７５、７６や、前述のようなレジ
スタ、演算部間のデータ制御をＣＰＵ６７の命令なしに
実行する。

第２１図に、Ｉ−Ａ／Ｄ６６で行われるＡ／Ｄ変換の動
作フローを示す。第２１図（ａ）に示すように、マルチ
プレクサ６４にょりＣＨラジカル（ｌｃｈ）、ｃｉラジ
カル（２　ｃ　ｈ）のデータが順次Ａ／Ｄ変換される。

ＤＩ１〜ＤＩ７、Ｄ２１〜Ｄ２７はそれぞれのデジタル
値である。Ａ／Ｄ変換のスタートは、第２１図（ｂ）に
示すようにある一定の間隔毎に実行される。一方のＡ／
Ｄ変換が終ったら、他方のＡ／Ｄ変換をスタートさせる
。斜線部がＡ／Ｄ変換の実行時期である。第２１図（ｃ
）はＡ／Ｄ変換された後のデジタル値の変化を示す。

この値は累積加算されたデータてあり、レジスタ７４に
それぞれのチャンネル毎に格納される。第２１図（ｄ）
に示すように、データをロードしたいときに、ＣＰＵ６
７からＩ−Ａ／Ｄ６６にアクセスすればよい。

本発明の燃焼光センサでは、１サイクル中に数多くのデ
ータを処理する必要があるので、ＣＰＵ６７に関係な（
Ａ／Ｄ処理する必要があり、第２０図に示すような、演
算、制御、格納機能を有するＡ／Ｄ変換制御装置が必要
である。また、燃焼はサイクル毎に時々刻々変化するの
で、サンプルデータは累積加算して、処理することが望
ましい。

Ａ／Ｄ変換に要する時間は２０μｓ程度であり、高速に
多数のデータを処理することが可能である。

第２２図に第１１図の実施例の動作を第１９図のハード
を用いて実行する場合のＣＰＵ６７の処理手順をフロー
チャートで示す。

第２２図（ａ）はオフセット値ＶｏｌｌｓＮを求めるた
めのフローチャートである。初めにクランク角をリード
し（ステップ＋００　）、第１０図に示す期間Ｅになっ
たら、データをリードする（ステップ１０１，　１０２
　）。このデータリードを予め定めた回数だけ繰り返し
（ステップ１０３　”）　、その後平均値処理する（ス
テップｌ０４）。この平均値をＶＯＩＩ＄！ｔとして出
力する（ステップＩＱ５　）。

第２２図（ｂ）は、ラジカル比Ｒを求めるためのフロー
チャートである。初めにクランク角をリードする（ステ
ップ１１０）。点火時期になったらデータをリードする
（ステップＩｌｌ，　１１２　）。時系列的にサンプル
データを比較し、ピーク値を検出する（ステップ１１３
）。ピーク値が見つかったら、Ｖ　＝　Ｖ　ｐｅａｋ−
Ｖ　ｏｆｆｓｅｔの演算を実行し、オフセット値Ｖｏｌ
ｌ＋ｅｔを差し引く　（ステップ１１４　）　．　ＣＨ
，Ｃ２ラジカル成分の値ＶＣＨ，　ＶＣ２を基１：　ｌ
　ｏ　ｇ（　Ｖ　Ｃ２／　Ｖ　ＣＨ）の演算を実行し（
ステップ１１５）、これをラジカル比Ｒとして出力する
（ステップ１ｌ６）。

なお、ステップＩＩＩで、点火時期になったらデータを
リードするようにしたが、ある一定のクランク角度にな
ったらリードするようにしてもよい。

このある一定のクランク角度とは、例えば、圧縮ＴＤＣ
の４０°ＣＡ前（４０°ＢＴＤＣ）とすることができる
。この角度は、すべての運転状態において、点火時期が
この角度内にあることから設定される。

第２３図に、第１７図の実施例の動作を第１９図のハー
ドを用いて実行する場合のＣＰｔＪ６７の処理手順をフ
ローチャートで示す。

第２３図（ａ）は、クランク角を割り込みのｒｅｆ信号
として、その割込みでオフセット値ＶｏｌＩｓｅｔを求
めるプログラムを起動する（ステップ１２０）。この起
動は第１０図の期間Ｅの間に行われる。そして、このプ
ログラムでは第２２図のステップ１０２以降の処理手順
が行われ、Ｖｏｆ［ｓｅｔが格納される（ステップｌ２
１）。

次に、第２３図（ｂ）のプログラムでラジカル比Ｒを求
めるプログラムが起動され（ステップ１３０）、求めた
ラジカル比Ｒを格納する（ステップｌ３１）。第２３図
（Ｃ）はラジカル比Ｒを求めるプログラムである。この
プログラムが起動されるのは、ｒｅｆ割り込みで点火時
期後である。まず、データをリードして（ステップ１４
０　）　、■ａｌｌｓｅｔを引く（ステップ１４１　）
　。次に、Ｒ＝ｌｏｇ（ＶＣ２／　Ｖ　Ｃｌ）を演算し
てＣＨ，Ｃ２ラジカルの比を求め（ステップ１４２　）
　、このＲのピーク値を検出し（ステップ＋４３　）　
、Ｒがピークとなったらその値を出力する（ステップｌ
４４）。

第２４図に、第１５図の実施例の動作を第１９図のハー
ドを用いて実行する場合のｃＰＵ６７の処理手順をフロ
ーチャートで示す。

第２４図のプログラムにはＶｏｌｆｉｅｊを求めるプロ
グラムはない。第２４図のプログラムは点火時期後に起
動される。初めにＣ　Ｈ　，　　Ｃ　２ラジカル成分の
信号をリードし（ステップ１５０　’）　、かつそれぞ
れのＶ　ｏｆｆｓ！＋をリードする（ステップ１５１　
）。

両者の差を求めて、それがピーク値かどうかを判断する
（ステップ１５２．　１５３　）。ピーク値となったら
その値を基にＲ＝　Ｉ　ｏ　ｇ　（ＶＣ２／ＶＣ｝Ｉ）
を演算してＲを求め、出力する（ステップ１５４，　１
５５　’）。

〔発明の効果〕

本発明“によれば、燃焼中のラジカル成分が正確に検出
できるので、各燃焼サイクル毎の点火プラグ回わりの空
燃比が検出できる。この検出値を基に、気筒別の空燃比
制御が可能になり、リーンバーン運転時にも失火するこ
となく運転できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃焼光センサのプラグ
内蔵型の光検出部を示す断面図であり、第２図（ａ）お
よび（ｂ）はそれぞれ本発明の光検出部および従来の光
検出部の機能を比較して示す図であり、第３図はその光
検出部を用いた燃焼光センサ全体の構成を示す図であり
、第４図は内燃機関の燃焼中の光出力分布を示す図であ
り、第５図は点火時の２次電流と光出力との関係を示す
図であり、第６図（ａ）．（ｂ）および（ｃ）は燃焼初
期のラジカルの分布を示す図であり、第７図（ａ）およ
び（ｂ）は、それぞれＣＨラジカルおよびＣ２ラジカル
についてのクランク角度に対する出力分布を示す図であ
り、第８図は本発明の原理を説明するため、ＣＨラジカ
ルと０２ラジカルの出力分布を重ねて示す図であり、第
９図はその原理によるクランク角度に対するラジカル成
分の比Ｒの関係を示す図であり、第１０図は１燃焼サイ
クル期間の出力波形図であり、第１１図は本発明の一実
施例による燃焼光センサの処理部を示すブロック図であ
り、第１２図は本発明の他の原理を説明するための光出
力の特性図であり、第１３図（ａ）は点火時期を違えた
場合の光出力の特性図であり、第１３図（ｂ）はオフセ
ット値を差し引いた同じ光出力の特性図であり、第１４
図はその原理によるクランク角度に対するラジカル成分
の比Ｒの関係を示す図であり、第１５図はその原理を用
いた本発明の他の実施例による燃焼光センサの処理部を
示すブロック図であり、第１６図〜第１８は、それぞれ
本発明のさらに他の実施例による同様なブロック図であ
り、第１９図は本発明をマイクロコンピュータを用いて
実施する場合の構成を示すブロック図であり、第２０図
はインテリジェントＡ／Ｄの詳細を示す図であり、第２
１図（ａ）〜（ｄ）はインテリジェントＡ／Ｄの動作を
説明するためのタイムチャートであり、第２２図（ａ）
および（ｂ）は第１９図のノ＼−ドを用いて本発明を実
施する場合のＣＰＵの処理手順を示すフローチャートで
あり、第２３図（ａ）、（ｂ）および（Ｃ）並びに第２
４図もそれぞれ同様なフローチャートである。符号の説明１・・・光検出部２・・・中心電極３・・・光ファイバ５・・・接地電極６・・・エンジン（内燃機関）１０・・・コントロールユニット（処理制御手段）２２
・・・ラジカル成分３０．３１・・・光学フィルター３４．３５・・・ピークホールド回路７，３８・・・引き算器９・・・割り算器Ｏ〜４３・・・光学フィルター８．４９・・・引き算器２・・・割り算器３・・・ピークホールド回路４・・・平均値回路７・・・ＣＰＵ　（制御処理手段）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出手段と
、前記光検出手段の光出力から少なくとも１つのラジカ
ル成分を示す特定の波長の光を選択し、対応する出力値
から空燃比を求める処理制御手段とを備えた燃焼光セン
サにおいて、前記処理制御手段は、前記内燃機関の点火時期から燃焼
圧がピーク値を示す時期までの期間中の特定の時期に前
記特定の波長の出力値を求め、この出力値から前記空燃
比を求めることを特徴とする燃焼光センサ。
（２）請求項１記載の燃焼光センサにおいて、前記特定
の波長の光は内燃機関の点火直後から爆発行程の終わり
までに時系列的に２つのピーク値を有し、前記処理制御
手段は前記特定の波長の光が最初のピーク値を示すとき
を前記特定の時期として選択することを特徴とする燃焼
光センサ。
（３）請求項１記載の燃焼光センサにおいて、前記処理
制御手段は、前記内燃機関の点火時期から３０゜クラン
ク角までの期間中の１時期を前記特定の時期として選択
することを特徴とする燃焼光センサ。
（４）請求項１記載の燃焼光センサにおいて、前記処理
制御手段は、前記内燃機関の圧縮行程の上死点の４０゜
クランク角前から１０゜クランク角後までの期間中の１
時期を前記特定の時期として選択することを特徴とする
燃焼光センサ。
（５）内燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出手段と
、前記光検出手段の光出力から少なくとも１つのラジカ
ル成分を示す特定の波長の光を選択し、対応する出力値
から空燃比を求める処理制御手段とを備えた燃焼光セン
サにおいて、前記処理制御手段は、前記特定の波長の光に対応する出
力値について前記ラジカル成分に依存しないオフセット
値を求め、前記出力値からこのオフセット値を引いた後
の値から空燃比を求めることを特徴とする燃焼光センサ
。
（６）請求項５記載の燃焼光センサにおいて、前記処理
制御手段は前記内燃機関の排気行程の初めから点火時期
までの期間の前記光出力から前記オフセット値を求める
ことを特徴とする燃焼光センサ。
（７）請求項５記載の燃焼光センサにおいて、前記処理
制御手段は、前記特定の波長近傍の別の波長の光を選択
し、対応する出力値から前記オフセット値を求めること
を特徴とする燃焼光センサ。
（８）請求項５記載の燃焼光センサにおいて、前記処理
制御手段は、前記出力値から前記オフセット値を引いた
後の値のピーク値を求め、その値から空燃比を求めるこ
とを特徴とする燃焼光センサ。
（９）内燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出手段と
、前記光検出手段の光出力から複数個のラジカル成分を
それぞれ示す複数の特定の波長の光を選択し、対応する
複数の出力値の比をとり、その比から空燃比を演算する
処理制御手段とを備えた燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記複数の特定の波長の光に対応
する複数の出力値の各々について前記ラジカル成分に依
存しないオフセット値を求め、前記各出力値からこのオ
フセット値を引いた後の値から前記比をとり、空燃比を
求めることを特徴とする燃焼光センサ。
（１０）請求項９記載の燃焼光センサにおいて、前記処
理制御手段は前記内燃機関の排気行程の初めから点火時
期までの期間の前記光出力から前記オフセット値を求め
ることを特徴とする燃焼光センサ。
（１１）請求項９記載の燃焼光センサにおいて、前記処
理制御手段は、前記複数の特定の波長の各々についてそ
の波長近傍の別の波長の光を選択し、対応する出力値か
ら前記オフセット値を求めることを特徴とする燃焼光セ
ンサ。
（１２）請求項９記載の燃焼光センサにおいて、前記処
理制御手段は、前記複数の出力値から前記オフセット値
を引いた後の値のピーク値を求め、そのピーク値の比か
ら空燃比を求めることを特徴とする燃焼光センサ。
（１３）請求項９記載の燃焼光センサにおいて、前記処
理制御手段は、前記比を求めた後にその比のピーク値を
求め、そのピーク値から空燃比を求めることを特徴とす
る燃焼光センサ。
（１４）請求項９記載の燃焼光センサにおいて、前記処
理制御手段は、前記内燃機関の燃焼サイクルの所定の期
間で前記比の平均をとり、その値から空燃比を求めるこ
とを特徴とする燃焼光センサ。
（１５）請求項１４記載の燃焼光センサにおいて、前記
所定の期間は前記内燃機関の点火時期から爆発行程の終
わりまでの燃焼期間全体であることを特徴とする燃焼光
センサ。
（１６）請求項１４記載の燃焼光センサにおいて、前記
所定の期間は前記内燃機関の点火時期から３０゜クラン
ク角までの期間であることを特徴とする燃焼光センサ。
（１７）請求項１４記載の燃焼光センサにおいて、前記
所定の期間は前記内燃機関の圧縮行程の上死点の４０゜
クランク角前から１０゜クランク角後までの期間である
ことを特徴とする燃焼光センサ。
（１８）点火プラグの中心電極を軸方向に貫通する光フ
ァイバを有し、この光ファイバにより内燃機関の燃焼光
を外部に導出する光検出部を構成する点火プラグ内蔵型
の燃焼光センサにおいて、前記中心電極の横方向に接地
電極を配置し、その先端を中心電極の先端外周部に対面
させたことを特徴とする燃焼光センサ。