JPH0541394Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、エンジンの燃焼室内で発生する火炎
状態を検出して自動車等内燃機関の空燃比を検出
する装置に関する。

（従来の技術） 一般に、エンジンにおける空燃比のフイードバ
ツク制御は、運転性、燃費、排気対策等の諸要求
を満たすために行われており、このような制御で
は排気中の酸素濃度をパラメータとして吸入混合
気の空燃比が検出される。

従来のこの種の空燃比制御装置としては、例え
ば「自動車工学全書４巻ガソリンエンジン」昭和
55年７月20日(株)山海堂発行第201頁〜第204頁に記
載されたものが知られている。この装置では、エ
ンジンの吸入空気量および回転数に応じて基本噴
射量を演算するとともに、酸素センサにより排気
ガス中の酸素濃度を検出し、この検出値に基づく
空燃比補正係数によつて前記基本噴射量を補正し
て、空燃比が常に理論空燃比近傍になるように燃
焼状態を制御している。また、吸入空気量を測定
する装置としては、例えば、第１２図Ａ〜Ｃに示
すようなものがある。

１ ベーン型エアフロメータ 同図Ａに示すようなエンジンに流入する空気が
エアフロメータ１を通過するとき、その動圧によ
りプレート２は図示しないリターンスプリングと
つり合う角度まで開かれ、プレート２と同軸に連
結されているポテンシヨメータ３によつて吸入空
気量が電圧比に変換されて検出される。

２ カルマン渦型エアフロメータ 同図Ｂに示すように、吸入空気流のなかに渦発
生柱（造渦体）４を置くと、その下流に非対称で
規則的な渦（カルマン渦）が発生する。渦の数が
吸入空気量にほぼ比例することを利用して渦の数
の疎密を電気信号（パルス）に変換して吸入空気
量を検出する。

３ ホツトワイヤ型エアフロメータ 同図Ｃに示すように、吸入空気流のなかに白金
熱線（ホツトワイヤ）５を置いて電流で加熱し、
空気流量に従つてホツトワイヤ５が冷却されて抵
抗値が変化するとその電流の大きさの変化によつ
て空気流量を測定するようにしている。ホツトワ
イヤ５はブリツジ６の一辺として組み込まれ、熱
容量も小さいので応答性がよく、特に質量流量が
測定できるという特徴があるが、浮遊塵埃が付着
して精度が低下したり、バツクフアイヤにより断
線しやすい欠点がある。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の空燃比検出装
置にあつては、吸入路内に測定部材（例えば、ベ
ーン型エアフロメータにあつてはプレート２、カ
ルマン型エアフロメータにあつては渦発生柱４、
ホツトワイヤ型エアフロメータにあつてはホツト
ワイヤ５）を設置して吸入空気量を測定するとい
う構成となつていたため、測定に際して次のよう
な問題点があつた。

ア 吸入抵抗が生じる。

イ 測定の応答性が原理的に劣る。

ウ 信号が大きな雑音に埋もれている（Ｓ／Ｎ比
が悪い）。

エ 信頼性に欠ける点がある。

オ 入力信号（空気量検出信号）と出力信号との
間に強い非線形性が存在し、測定精度が不安
定である。

以上のような問題点に加えて、従来のものは燃
料がインジエクタにより吸入空気中に供給されて
から気筒に吸入され、燃焼した後排気ガスとなつ
て排気中き酸素センサに到達し、センサが排気中
の酸素濃度を検出するまでの遅れ時間があるにも
拘らず、前記酸素センサの出力に基づいて混合気
の空燃比がリツチあるいはリーン状態にあるかを
判別するという構成であるため、特に過渡時にお
いて、酸素センサの出力に基づく空燃比の値が実
際の空燃比の値を反映していないことがある。

（考案の目的） そこで本考案は、燃焼室内の火炎光がフラクタ
ル（Fractal）図形であり、そのフラクタル次元
の伝搬速度と空燃比との間に一定の相関関係があ
ることに着目し、燃焼室内で発生する火炎状態に
基づいて火炎輪郭のフラクタル次元の伝搬速度を
演算し、この伝搬速度に基づいて空燃比を算出す
ることにより、エアフロメータ等の吸入抵抗増加
要素を用いないで済む応答性に優れた測定精度の
高い空燃比検出装置を提供することを目的として
いる。

（問題点を解決するための手段） 本考案による空燃比制御装置は上記目的達成の
ため、その基本概念図を第１図に示すように、エ
ンジンの燃焼室内で発生する火炎状態を検出する
火炎状態検出手段ａと、前記火炎状態に基づいて
火炎の輪郭のフラクタル次元を演算するフラクタ
ル次元演算手段ｂと、フラクタル次元演算手段ｂ
により演算されたフラクタル次元に基づいてフラ
クタル次元の変化速度を演算し、該変化速度に基
づいて火炎の伝搬速度を演算する伝搬速度演算手
段ｃと、空燃比がリツチかリーンか判定するリツ
チ・リーン判定手段ｄと、前記伝搬速度および前
記リツチ・リーン判定手段ｄの判定結果に基づい
て空燃比を算出する空燃比演算手段ｅと、を備え
ている。

（作用） 本考案では、燃焼室内で発生する火炎状態が検
出され、この火炎状態に基づいて火炎の輪郭のフ
ラクタル次元が演算される。そして、フラクタル
次元に基づいてフラクタル次元の変化速度が演算
され、火炎の伝搬速度が演算されるとともに、空
燃比がリツチかリーンか判定され、その判定結果
と前記伝搬速度とに基づいて空燃比が算出され
る。したがつて、エアフロメータ等の吸入抵抗増
加要素がなく、応答性が高く、精度が安定した空
燃比が測定される。

（実施例） 以下、本考案を図面に基づいて説明する。

第２〜１１図は本考案の一実施例を示す図であ
る。まず、構成を説明する。第２図において、１
１はシリンダヘツドであり、シリンダヘツド１１
はピストン１２およびシリンダブロツク１３とと
もに燃焼室１４を画成している。燃焼室１４は開
閉制御される吸気弁１５を介して吸気通路１６と
連通可能であり、また燃焼室１４に臨むシリンダ
ヘツド１１には点火プラグ１７が取り付けられて
いる。シリンダヘツド１１とシリンダブロツク１
３との間には気密を保持するためのシリンダヘツ
ドガスケツト１８が介挿されており、シリンダヘ
ツドガスケツト１８の燃焼室１４には光フアイバ
２１の先端が臨んでいる。

燃焼室１４内の燃焼光（火炎光）は光フアイバ
２１により光学フイルタ等の光学結像系２２を介
してCCD（Charge Coupled Device）等により構
成される画像入力素子２３と光を３原色に分離す
るダイクロイツクミラー２４とに接続される。ダ
イクロイツクミラー２４で３原色に分離された光
信号出力はそれぞれRGB光強度計２５，２６，
２７に入力され、RGB光強度計２５，２６，２
７はそれぞれの光信号出力の強度を測定し、その
結果を白色検出回路２８を介してリツチ・リーン
判定器２９に出力する。白色検出回路２８はCO₂
濃度と相関のある光の白成分（すなわち、空燃比
がリーンのときほどCO₂の発生が多く、燃焼光の
白成分が多い）を抽出し、リツチ・リーン判定器
２９は白色検出回路２８の出力に基づいて空燃比
のリツチ・リーンを判定し、その結果を後述する
空燃比切り換え器４９に出力する。

上記光フアイバ２１、光学結合系２２および画
像入力素子２３は火炎状態検出手段３０を構成
し、ダイクロイツクミラー２４、RGB光強度計
２５，２６，２７、白色検出回路２８、リツチ・
リーン判定器２９はリツチ・リーン判定手段３１
を構成する。画像入力素子２３からのVIDEO信
号は画像生成用の高速演算回路３２に入力され、
高速演算回路３２はその詳細なブロツク構成図を
第３図に示すようにシリアル−パラレル変換器３
３、同期信号生成器３４、VIDEORAM３５，３
６およびDMAC（Direct Memory Access
Controller）３７により構成される。シリアル−
パラレル変換器３３は画像入力素子２３より出力
されるシリアルなVIDEO信号を同期信号生成器
３４の同期信号に基づいてパラレルな信号に変換
してVIDEORAM３５に出力し、同期信号生成器
３４は内蔵するクロツクに基づいてシリアル−パ
ラレル変換器３３およびVIDEORAM３５，３６
を制御するためのタイミング信号を発生する。
VIDEORAM３５には火炎のイメージがデイジタ
ル情報（データ）として格納されており、
VIDEORAM３５のデイジタルデータはDMAC
３７によつて２値化され、VIDEORAM３６の２
値化情報は所定タイミングでフラクタル次元演算
回路（フラクタル次元演算手段）３８に出力さ
れ、フラクタル次元演算回路３８は第４図にその
詳細を示すように微分回路３９、VIDEORAM４
０、フラクタル次元演算回路４１およびフラクタ
ル次元記憶回路４２により構成される。微分回路
３９はVIDEORAM３６から出力される２値化情
報を２次微分の差分で近似することにより火炎の
入力画像から輪郭を抽出し、この抽出データは
VIDEORAM４０にストアされる。フラクタル次
元演算回路４１は後述するソフトウエアに従つて
VIDEORAM４０の輪郭のデータに基づき第１１
図に示すような輪郭図中をスキヤニングしてフラ
クタル次元Ｄを演算し、このフラクタル次元Ｄを
フラクタル次元記憶回路４２にストアする。フラ
クタル次元Ｄは所定タイミングでフラクタル次元
変化量演算回路（伝搬速度演算手段）４３に出力
され、フラクタル次元変化量演算回路４３は第５
図にその詳細を示すようにFIFO式メモリ４４、
差分算定回路４５、重み付け回路４６および加算
器４７により達成される。FIFO式メモリ４４は
フラクタル次元記憶回路４２からフラクタル次元
Ｄが出力されると、その最新の情報をD_Rとして
メモリにストアするとともに、最も古い情報
D_R-Lを廃棄する。FIFO式メモリ４４にストアさ
れている各処理段階のフラクタル次元D_R〜D_R-L
は差分算定回路４５で差分演算（ΔD，Δ²Ｄ算
定）された後、現在の値に近い方から重み付け回
路４６で重み付け処理され、加算器４７に出力さ
れる。加算器４７は重み付け回路４６の出力に基
づいてフラクタル次元の変化速度ΔD（本実施例
では全て同期した同タイミングで行つているので
ΔD／Δt→ΔDとなる）を算出し、その変化速度
ΔDを空燃比推定回路（空燃比演算手段）４８に
出力する。空燃比推定回路４８はフラクタル次元
の変化速度ΔDに基づいて図示しないテーブルマ
ツプから火炎伝搬時間を推定して空燃比のリツチ
あるいはリーンの程度を決定するとともに、空燃
比切り換え器４９からの情報に基づいて空燃比の
リツチ・リーンの判定を行う。

上記、リツチ・リーン判定器２９、高速演算回
路３２、フラクタル次元検出回路３８、フラクタ
ル次元変化量演算回路４３および空燃比推定回路
４８はエンジンの電子制御に用いられるいわゆる
コントロールユニツト５０として構成され、各回
路は後述するプログラムによつてその機能が実現
される。

次に、作用について説明するが、最初にフラク
タルについて説明し、後に本考案の基本的な考え
方を述べる。

第６，７図にフラクタルの概念を示す。第６図
に示すように、三角形の各辺上に相似な三角形
を組み込み、これをとする。この操作を多数回
繰り返し実行すると、のような図形ができる。
ここで、の矢印部Ｉに着目する。Ｉをよく観察
すると、その展開法がわかつていればミクロな部
分から逆にを推定することができる。すなわ
ち、いくら拡大（展開）しても微小部分に全体と
同じ不規則な形が現れるというフラクタルの性質
（自己相似性）を利用してフラクタルな図形の
ミクロな観測からマクロな図形を推定すること
ができる。一般に、燃焼による炎はこうしてフラ
クタル図形になると言われている。

いま、第７図に示すフラクタルな図形中の２点
ｘ，ｙ間の距離を考える。この距離を所定長l₁の
直線ものさしを用いて測定すると、２点ｘ，ｙ間
の距離はL₁である。また、所定長l₁より短い所定
長l₂（l₂＜l₁）の直線ものさしを用い、前記図形の
外形に沿つて２点ｘ，ｙ間の距離を測定すると、
その距離はL₂となり、距離L₁，L₂の関係はL₂＞
L₁となる。したがつて、同様な手法により、所
定長l₁のものさしで２点ｘ，ｙ間の距離L_iの測定
を行なうとすると、そのものさしをあてる回数
（以下、試行回数という）は次式で与えられる。

Ｎ＝L_i／l_i＝Ｋ・（l_i）^-D ……」 但し、Ｎ：試行回数 Ｋ：定数 この式において、Ｄがフラクタル次元と称さ
れるもので、曲線の折れ曲りぐあいを表してい
る。

第８図にフラクタル次元演算回路３８により演
算されるフラクタル次元Ｄの経時的な変化を示
す。また、第９図はそのフラクタル次元Ｄの変化
速度ΔDを基に推定した火炎伝搬時間と空燃比
Ａ／Ｆとの関係を示しており、この図から明らか
なように火炎伝搬時間を知ることで空燃比Ａ／Ｆ
の算出が可能になる。

本実施例では、燃焼室内の火炎光をフラクタル
図形とみなし、そのフラクタル次元Ｄに基づく火
炎伝搬時間と空燃比Ａ／Ｆとの間に一定の相関関
係があることに着目して、第１０図のフローチヤ
ートに示すプログラム（後述する）によつて空燃
比Ａ／Ｆを適切に算出する。なお、第１０図に示
す空燃比検出プログラムは所定時間毎に実行され
る。

まず、ステツプP₁で燃焼室１４内の燃焼によ
り発生した火炎光が、燃焼室１４に面して装着さ
れた耐熱性および耐圧性を有する光フアイバ２１
にその一端面から入り、光学結像系２２を介して
CCD等により構成される画像入力素子２３に伝
えられる。画像入力素子２３は受像した火炎の様
子をVIDEORAM３５上に結像する。このときの
火炎光の一部の様子を図示すると、例えば第１１
図のようになり、これは第７図に示すＡ部分に相
当する。次いで、P₂でDMAC３７により火炎の
データを２値化し、微分回路３９で２次微分処理
して火炎の輪郭を抽出する。P₃では前述した手
法に従つてフラクタル次元Ｄを演算し、P₄でフ
ラクタル次元Ｄの変化速度ΔD（＝ΔD／Δt）を演
算する。次いで、P₅でこの変化速度ΔDに基づい
て所定のテーブルマツプから火炎伝搬時間をルツ
クアツプし、その火炎伝搬時間に対し第９図に示
すような相関関係のある空燃比Ａ／Ｆを算出し
て、今回の処理を終了する。

ところで、第９図では、１つの火炎伝搬速度に
対しリーン側の空燃比Ａ／F₁とリツチ側の空燃
比Ａ／F₂とが存在し、空燃比Ａ／Ｆのリツチ又
はリーンの度合に対応する値を知ることはできる
が、リツチがリーンかを判定することができな
い。そこで、空燃比Ａ／Ｆがリツチかリーンかを
判定する必要があり、この判定手段は例えば従来
装置のように排気系に設けた酸素センサとするこ
ともできるが、本実施例では、特にエアフローメ
ータや酸素センサを設けることなく空燃比Ａ／Ｆ
を精度良く検出する態様とするため、リツチ・リ
ーン判定手段３１により空燃比Ａ／Ｆがリツチか
リーンかを適切に判定するようにしている。すな
わち、空燃比がリーンの場合には発生するCO₂が
多く、リツチで燃焼したときに比べて燃焼光は白
い光を放つことから、光フアイバ２１で受光した
燃焼光をダイクロイツクミラー２４等で分離し、
その結果によつて空燃比Ａ／Ｆがリツチかリーン
かを判定している。

このように本実施例では、燃焼室１４内の火炎
が光フアイバ２１により観測され、火炎輪郭のフ
ラクタル次元変化から火炎伝搬速度が求められる
とともに、火炎の色調により空燃比Ａ／Ｆのリツ
チ・リーンの判定が適切に行なわれ、前記伝搬速
度とリツチ・リーン判定結果とに基づいて空燃比
Ａ／Ｆが算出される。したがつて、エアフローメ
ータのような吸入抵抗増加要素がなく、応答性の
高い、精度の安定した空燃比測定ができる。さら
に、火炎がフラクタル図形となつていることに着
目した処理を実行することで、火炎の一部を観測
したデータから火炎の全体像を把握することがで
きる。したがつて、光フアイバ２１の直径をごく
小さいものにすることができ、シリンダ壁にかか
る応力の集中を抑えることができる。

（効果） 本考案によれば、燃焼室内の火炎の状態に基づ
いて火炎輪郭のフラクタル次元の伝搬速度を演算
し、この伝搬速度と空燃比のリツチ・リーン判定
結果とに基づいて空燃比を算出するようにしてい
るので、エアフローメータ等の吸入抵抗増加要素
を用いないで済む応答性に優れた高測定精度の空
燃比検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の基本概念図、第２〜１１図は
本考案の一実施例を示す図であり、第２図はその
全体構成図、第３図はその高速演算回路の内部を
示すブロツク構成図、第４図はそのフラクタル次
元演算回路の内部を示すブロツク構成図、第５図
はそのフラクタル次元変化量演算回路の内部を示
すブロツク構成図、第６，７図はそのフラクタル
の概念を説明するための図、第８図はそのフラク
タル次元の時間的変化を示す特性図、第９図はそ
の火炎伝搬時間と空燃比との関係を示す特性図、
第１０図はその空燃比検出のプログラムを示すフ
ローチヤート、第１１図はその画像処理の作用を
説明するための図、第１２図は従来の空燃比検出
装置の吸入空気量の測定方法を示す図である。 １４……燃焼室、３０……火炎状態検出手段、
３１……リツチ・リーン判定手段、３８……フラ
クタル次元演算回路（フラクタル次元演算手段）、
４３……フラクタル次元変化量演算回路（伝搬速
度演算手段）、４８……空燃比推定回路（空燃比
演算手段）。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ａ） エンジンの燃焼室内で発生する火炎状態を
   検出する火炎状態検出手段と、 ｂ） 前記火炎状態に基づいて火炎の輪郭のフラ
   クタル次元を演算するフラクタル次元演算手段
   と、 ｃ） フラクタル次元演算手段により演算された
   フラクタル次元に基づいてフラクタル次元の変
   化速度を演算し、該変化速度に基づいて火炎の
   伝搬速度を演算する伝搬速度演算手段と、 ｄ） 空燃比がリツチかリーンか判定するリツ
   チ・リーン判定手段と、 ｅ） 前記伝搬速度および前記リツチ・リーン判
   定手段の判定結果に基づいて空燃比を算出する
   空燃比演算手段と、 を備えたことを特徴とする空燃比検出装置。