JPH0352576B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は空気対燃料の比を測定する方法に関す
る。

「燃焼系の監視方法」と題する特開昭57−
197439号公報（米国特許出願第265316号（1981年
５月20日出願））は本明細書において示される方
法の以前に開発された燃焼系監視方法を示してい
る。前記公報に示される多くの方法のなかには、
燃焼過程へ供給する空気／燃料混合物の空気対燃
料の比を測定する一つの方法がある。

燃焼工程へ供給される空気／燃料混合物の空
気／燃料比を知るための、前記特開昭57−197439
号公報に教示された方法は他の燃焼に関連した測
定もできる汎用的機器であるので、かなり複雑な
ものである。本発明は前記公報に記載の方法より
も簡単な方法を与えるものである。本発明で教示
されている方法は燃焼工程へ供給される空気／燃
料混合物の空気対燃料比についてのすぐれた指示
を与える。しかし、本発明の方法は前の方法で教
示されている他のエンジン条件を測定することは
できない。

先の特開昭57−97439号公報で開示する燃焼工
程へ供給する空気／燃料混合物の空気／燃料比の
より複雑な測定方方法は、普通次のようにして実
施される。空気／燃料混合物を連続的に燃焼工程
へ通過させてガス状物質の第１の流れをつくる。
このガス状物質の第一の流れは(a)未燃焼燃料、(b)
部分酸化された燃料、(c)一酸化炭素、(d)二酸化炭
素、(e)水蒸気、(f)窒素、(g)酸素、(h)空気中に通常
見出される不活性ガス、あるいは(i)(a)から(h)のい
ずれかまたはすべての混合物を含んでいる。この
第一のガス状物質流の一部分を試料として大気圧
より低い第一の圧力になつている、ある容積の中
に連続的に取り込む。この大気圧より低い第一圧
力とは、連続的に取り込まれる試料部の温度でそ
の中に含まれる水蒸気が凝縮しない圧力である。
連続的に取り込まれる試料は容積％で第一のガス
状物質流と同じ組成構成をもつが、より低い圧力
の第二のガス状物質流を形成する。

酸素をこの第二のガス状物質流へ調節しながら
連続的に添加供給する。酸素の添加は酸素源に調
節のための信号を与えることによつて連続的に調
節される。調節のための信号は、酸素源へ送られ
る信号の強さに比例して酸素を第二のガス状物質
流へ添加するように与えられる。この信号は、酸
素添加後(a)未燃焼燃料、(b)部分酸化燃料、及び(c)
一酸化炭素を(d)二酸化炭素および(e)水蒸気へ化学
量論的に酸化するのに必要な量より過剰な予め定
められた量の酸素が存在するような十分な酸素を
第二のガス状物質流へ添加する結果になる強さで
連続的に発生させる。

第二のガス状物質流の一部分は試料として、第
一圧力より実質的に低い第二圧力になつているあ
る容積の中に連続的に取り込まれる。その試料
は、酸素と(a)未燃焼燃料、(b)部分酸化燃料、及び
(c)一酸化炭素とが反応した後に取り出される。こ
の第二圧力は、第二のガス状物質流から連続的に
取り出される試料部分の温度で、そのなかに含ま
れる水蒸気が凝縮しない圧力である。連続的に取
り出される試料部分は、第二ガス状物質流と添加
酸素の合計と、モル基準で十分に酸化された炭素
及び水素を基にした同じ組成構成をもつが、より
低い圧力にある第三のガス状物質流を形成する。

第三のガス状物質流は質量分光計で連続的に分
析して、連続的に出力信号を発生させる。発生し
た出力信号はこの第三のガス状物質流中の酸素対
窒素の比を示している。酸素源へ送る調節信号は
質量分光計によつて得られる出力信号から連続的
に生ずる。調節信号の強さは次のようにして得ら
れる。すなわち、(1)質量分光計によつて測定して
得た第三のガス状物質流の酸素信号が予め定めた
水準にあるときには、調節信号は予めきめた強さ
をもち、その強さは諸成分を化学量論的に酸化す
るのに要する量より過剰の予め定めた量の酸素を
確実に第二のガス状物質流へ添加する強さであ
り、そして(2)質量分光計によつて測定して得た第
三のガス状物質流の酸素信号が予め定めた水準か
ら外れたときには、その調節信号は酸素の予め定
めた量より多い酸素量が確実に第二のガス状物質
へ添加される強さである。

このようにして、測定して得た酸素信号は予め
定めた水準へ戻される。第二のガス状物質流へ添
加される酸素の瞬間量が燃焼している空気／燃料
混合物の空気対燃料比の直接的尺度となる。

容易にわかる通り、特開昭57−197439号公報に
記載の方法はかなり複雑であるが、その複雑さが
燃焼している空気／燃料混合物の空気対燃料比に
ついて測定各段階において極めて正確に測定を行
なつている。

本発明の主目的は、燃焼過程へ供給される空
気／燃料混合物の空気対燃料比を測定する方法で
あり、実施が比較的簡単でしかも諸要因を正確に
測定する方法を提供するものである。

本発明のもう一つの目的は、比較的簡単な設計
と構造をもつ機器装置によつて実施できる、空
気／燃料混合物の空気対燃料比の測定方法を提供
することである。

本発明は混合物の空気対燃料比の測定方法、さ
らに具体的には、燃焼過程へ供給される空気／燃
料混合物の空気対燃料比の測定方法に関するもの
である。

本発明の方法の一般的な教示に従えば、燃焼過
程へ供給される空気／燃料混合物の空気対燃料比
は次のようにして測定される。酸素センサーステ
ーシヨンを設け、そこでセンサーはステーシヨン
の第一の標準側と第二の酸素測定側との酸素分圧
比を感知する。酸素センサーを予め定めた温度と
大気圧より低い圧力とに維持する。第一の標準側
と第二の酸素測定側との間の起電力を酸素センサ
ーで測定した値が酸素測定側を通過するガス流中
の酸素分圧の指標となるように酸素センサーを目
盛較正する。試料ガス流は酸素センサーの第二の
酸素測定側から低い圧力で取り出す。この圧力
は、その圧力とは独立に一定流速で試料ガス流を
取り出すことのできる圧力である。一定量の酸素
を試料ガス流へ添加する。試料ガス流中に含まれ
る酸素を、試料ガス流が酸素センサーの第二の酸
素測定側を通過する前に、試料ガス流中に含まれ
る酸化可能物質と反応させる。試料ガス流の全圧
を測定する。空気／燃料混合物の空気対燃料比
は、酸素センサーによつて測定した起電力、燃料
ガス流の全圧、及び既知の酸素添加割合の相互関
係を通して決定する。

酸素センサーステーシヨンは、例えば、ジルコ
ニア酸素センサーと定義してもよく、これは熟練
技術者によく知られている。

本発明の方法は実施が比較的容易であり、特開
昭57−197439号公報に記載の方法が必要とする複
雑な道具立てを必要としない。

次に、燃焼過程へ供給される空気／燃料混合物
の空気対燃料比の本発明の測定方法の好ましい実
施方法を述べる。この記述は本方法の広い原理に
対して制約を加えるつもりのものではなく、本方
法の説明のために好ましい物質を使用しているに
すぎず、ここにのべた物質についてのみ実施可能
であることを意味するのではなく、他の物質も置
きかえることができる。

また、例えば、ここに記載の方法は、酸素分圧
測定可能な新しい電解質物質のような熟練技術者
によつてやがては開発されるべき物質についても
うまく使用できるかもしれない。それゆえ、ここ
に記載の方法はやがては開発される物質にもうま
く使用できるかもしれないと予期される。なぜな
らば本方法にかける特定の物質にかかわることな
く本方法操作の原理は同じままであるからであ
る。

図面においては、本発明の方法の好ましい実施
方法を実施するための装置が図式的に描かれてお
り、数字１０で示されている。装置の主要素はジ
ルコニア酸素センサーステーシヨン１２と温度調
節装置１４であり、それらの関係と機能は特開昭
57−208448号公報（我々の共出願中の米国特許出
願第273517号明細書）に十分に記載されていると
おりである。その公報に示される通り、ジルコニ
アセンサーまたは他の酸素センサーはその両側に
二つの測定域を画成する一つの電解質をもつてい
る。センサーの第一の側は酸素標準側であり、第
二の側は酸素測定側である。一般的応用において
は、純酸素または周囲の空気のような酸素標準物
質をジルコニア酸素センサーの第一の酸素標準側
へ、一つの既知条件を規定するために吹込むなど
して入れる。未知酸素濃度をもつ未知物質をジル
コニア酸素センサーの第二の酸素測定側へ流す。
このジルコニアセンサーの電解質の両側において
酸素分圧に差がある場合には、起電力が電解質を
はさんで発生し、この起電力が酸素分圧の差の一
つの尺度であり、かくして、ジルコニアセンサー
の酸素測定側の酸素分圧の実際の指標となる。

当業においてまたよく知られている通り、ジル
コニア酸素センサーは、その電解質の両側で測定
された酸素分圧の差によつておこる起電力がまた
温度の一つの関数であるという点で、かなり温度
依存性である。従つて、温度による起電力のこの
変動を測定の変動から除きそれによつてジルコニ
ア酸素センサーの酸素測定側で測定された酸素分
の計算を容易にするように、起電力は予め定めた
温度において一般的に測定される。上記特開昭57
−208448号公報はジルコニアセンサーの操作のた
めの正確な温度調節を行なう方法に関しているの
で、この方法のさらに詳細については、その公報
を参照されたい。

それゆえ、燃焼過程へ供給される空気／燃料混
合物の空気対燃料比の測定方法の好ましい実施方
式によれば、次のように実施される。ジルコニア
酸素センサーのような酸素センサーステーシヨン
１２を、センサーがその第一の標準側対第二の測
定側の酸素分圧比を感知し得るような位置に設け
る。酸素センサーを予め定めた温度に維持する。
酸素センサーステーシヨン１２はまた大気圧より
低い圧力に保つ。この圧力を真空配管１８と２０
を通して作動する真空ポンプ１６によつて維持す
る。大気圧より低い圧力とは、、燃焼過程によつ
て形成される水蒸気をガス状態に保たせるのに十
分な圧力のことをいう。0.01気圧から0.2気圧の
範囲にあることが好ましく多くの場合には約0.05
気圧の圧力で実施するのが好ましい。

次に、以下に詳しく述べるように目盛較正を行
なう。しかし、この目盛較正は本発明の方法の開
始にあたつて実施されるといえば十分であろう。
目盛較正を実施し、計器を適切に検定し終つた
ら、次にその他の段階を実施する。機器操作中に
目盛較正をときどきし直したいと思うかもしれな
い。しかし、たいていの測定法というものは目盛
の較正を必要とするが、その較正はその測定を開
始する時だけ実施すればよいのであつて、一般的
に測定の連続した部分を形成するものではないこ
とを念頭に入れておくべきである。そこでこの場
合においても、目盛較正段階は方法の開始時にお
いて実施されるもので、時々は見直しのために途
中でも実施される。この目盛較正段階は方法の開
始時と途中のところどころで行なわれるが、本発
明の方法の実施中の全期間にわたつて連続的に続
けられるものではない。

本発明の議論をさらにすゝめる前に、酸素セン
サーステーシヨン１２で設定された圧力と、酸素
センサーステーシヨンを通過するよう系の中にあ
る種のガスを流入させる位置との間の特殊な関係
を指摘しておきたい。本発明の好ましい方法によ
れば、ガスがジルコニア酸化物センサー１２上に
引かれる四つの位置がある。これらの四つの位置
はゼロガスステーシヨン２２、試料ガスステーシ
ヨン２４、第一添加空気ステーシヨン２６、及び
第二添加空気ステーシヨン２８である。これらの
ステーシヨンの各々は各スロツトルバルブ３０に
よつて真空配管３２へ連結し、この真空配管はジ
ルコニア酸素センサーステーシヨン１２へ連結し
ている。真空配管３２及びジルコニア酸素センサ
ーステーシヨン１２において設定された圧力と独
立に、試料をスロツトルバルブ３０を通して一定
流速で引くための圧力をこの真空配管とジルコニ
ア酸素センサーステーシヨンにおいて確立する。

これは一定体積排気ポンプを使用し、毛細管に
よつて試料をセンサーステーシヨン１２へ採取す
る低圧試料採取法によつて達成することができ
る。他のガス添加物も毛細管を通して行なわれ
る。このような装置では、センサーステーシヨン
中の低圧によつて、試料ガス及び添加空気の流速
は互いに独立になるようにすることができる。真
空ポンプは一定体積排気装置（それらの圧力にお
いて）であるので、構成分圧は、添加がなされる
ときには、他の試料採取装置のように相互を平均
するのではなく、加成的である。

ジルコニア酸素センサーステーシヨン１２を目
盛較正するために、スロツトルバルブ３０はゼロ
ガスステーシヨン２２に通ずる一つを除いて全て
止められる。このゼロガスステーシヨンは窒素ガ
スを含んでいる。窒素ガスを酸素センサーステー
シヨン１２を通して引き込み、ジルコニア酸化物
電解質の出力をミリボルトで読みとる。

その後、第一添加空気ステーシヨン２６へのス
ロツトルバルブ３０をひらく。この第一添加空気
ステーシヨンはガス試料中に既知量の酸素を含
む。例えば、試料は周辺空気であつてよい。この
試料についてのジルコニア酸素センサーからの出
力をまた読み取る。次は第二添加空気ステーシヨ
ン２８へのスロツトルを開く。この時点で一つの
起電力が得られる。次に直線グラフは上述各試料
についてジルコニア酸素センサーから読んだミリ
ボルトの値の逆対数と酸素分圧のプロツトを基に
して得ることができる。このグラフを得るのに用
いる各点は第一添加空気ステーシヨン２６と第二
添加空気ステーシヨン２８についてのデーターか
ら得られる諸点の算述的合計である。第一ゼロガ
スステーシヨンだけから得られるデーターの点は
空気／燃料測定のための基底線を決めるのに用い
られる。

プロツトが得られたら、酸素センサーステーシ
ヨン１２に関連する電気的装置を既知の方法でゼ
ロ目盛に合わせる。ゼロ目盛に合わせるというこ
とは、酸素センサーステーシヨンからのミリボル
トの読みがゼロを指したら、排気ガスは化学量論
的条件下で生じたことを示すものであり、すなわ
ち、排気ガスが酸素を含まないことを意味する。
もし出力の読みがゼロより小さく落ちる場合に
は、排気ガスは酸素が欠乏していて還元性である
ことを明確に示している。これは内燃機関中で燃
焼する空気／燃料混合物が化学量論的に富、すな
わち燃料分が多い状況においておこる。もし信号
が正であるならば、これは燃料分が少ない空気／
燃料混合物が燃焼していることを示し、過剰酸素
がその系において用いられていることを示す。

ゼロ目盛合せと目盛較正が終つたら、試料ガス
を試料ガスステーシヨン２４から導出し、一定量
の酸素を一方の空気ステーシヨン２６から添加す
る。ステーシヨン２６からの空気の添加により、
この酸素測定系へ一定の既知量の酸素を添加す
る。この添加空気を試料ガス流中に含まれる酸化
可能物質と反応させる。

圧力ゲージ３４は真空ポンプ１６、酸素センサ
ーステーシヨン１２、及び真空配管３２によつて
設定された圧力を測定するのに用いる。

燃焼過程において燃焼される空気／燃料混合物
の空気対燃料比はジルコニア酸素センサーステー
シヨンにより測定される起電力、酸素センサース
テーシヨン１２と真空配管３２の圧力、及び既知
の酸素添加割合から決定される。空気／燃料比は
燃焼過程排ガス中で測定される酸素の割合と直接
的に関係するので、空気／燃料比を決定すること
ができる。

本発明の方法をきわめて独特なものとしている
点は、酸素センサーステーシヨン１２を横切る圧
力が試料源から一定流速で試料を引かせる圧力で
あるということであり、しかもその一定流速はセ
ンサーステーシヨンで設定される圧力と独立であ
るということである。このことは試料ステーシヨ
ン２２から２８の各々についてのスロツトルバル
ブを通る流速についても同じである。しかし、
我々はそれを音の流れにたとえる。なぜならば、
それは下流圧力とは独立の流れであり、従つて一
個以上の流れが真空配管３２内に通過せしめられ
るので、各流れの一つあるいは他の流速に何ら変
化がないからである。流れの各々は、ガス流が一
つ以上存在するかどうかには無関係に、一定流速
で試料を採取することができる。この独特な配置
がなされないでかつ下流圧力が比較的高い他の試
料採取系においては、別のガス流の添加による変
化は普通はその試料採取用配管の中に流入する先
のガス流の量を変化させる。しかし、本発明にお
いては試料採取配管の一つまたはそれ以上が開放
されているか閉鎖されているので、何の変化もな
い。

本発明の特定の実施方式を解説記述したが、各
種の変更及び修正が本発明から逸脱することなし
に行ない得ることは明らかであり、本発明の真の
精神と領域の中に入るこのようなすべてを特許請
求の範囲に記載した。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の方法を実施する装置の配置図を
模式的に示す図である。 １２…酸素センサーステーシヨン、１６…真空
ポンプ、２２…ゼロガスステーシヨン、２４…試
料ガスステーシヨン、２６…第一添加空気ステー
シヨン、２８…第二添加空気ステーシヨン、３０
…バルブ、３２…真空配管、３４…圧力ゲージ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼過程に供給する空気／燃料混合物の空
   気／燃料比を測定するにあたり、 酸素センサーが酸素センサーステーシヨンの第
   一の標準側と第二の酸素測定側との間における酸
   素分圧の差を感知する酸素センサーステーシヨン
   を設備し、 この酸素センサーに、上記標準側と酸素測定側
   との間の起電力のセンサーによる測定値が上記酸
   素測定側を通るガス流中の酸素分圧を示すように
   目盛をつけ、 酸素センサーの酸素測定側に試料ガス流を流
   し、 上記試料ガス流に既知量の酸素を添加し、 上記試料ガス流を上記酸素測定側に流す前に、
   試料ガス流に含まれる酸化可能物質と試料ガス流
   内の上記酸素と反応させ、 上記酸素センサーにより測定した起電力と既知
   の酸素添加割合とから空気／燃料混合物の空気／
   燃料比を測定する方法において、 上記酸素センサーを、予め定めた温度と大気圧
   以下の圧力に維持し、上記試料ガス流を上記圧力
   とは独立に一定流速で流し、この圧力を測定する
   ことを特徴とする、空気／燃料比の測定方法。 ２ 酸素センサーステーシヨンがジルコニア酸素
   センサーを含む、特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ３ 圧力が0.01気圧から0.2気圧の範囲にある、
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方
   法。 ４ 圧力が約0.05気圧である、特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の方法。