JPS6390643A

JPS6390643A - 内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JPS6390643A
Application number: JP23640086A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Iijima; 飯島　有
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-10-03
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 1988-04-21

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、自動車等内燃機関における燃焼光のスペクト
ル分布を判別し、これが目標パターンとなるように空燃
比を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。

（従来の技術）近時、燃費の低減・排気の浄化、出力の増大等の要求に
伴って排気中の酸素濃度を検出して空燃比を検出し、こ
の検出情報に基づいて燃料供給量のフィードバック制御
が行われている。

従来のこの種の空燃比制御装置としては、第９図に示さ
れるようなものがある。この装置では、排気マニホール
ド１の途中に設けた酸素センサ２により排気中の酸素濃
度が検出され、コントロールユニット３で酸素濃度と相
関のある空燃比が判断サレる。コントロールユニット３
にはエアフローメータ４からの信号や他の運転状態を示
す各センサ群からの信号が入力されており、コントロー
ルユニットは空燃比検出情報や各センサ群からの信号に
基づき、空燃比が一定範囲内となるように燃料供給量を
制御してインジェクタ５に噴射信号を出力する（実開昭
６１−１２９８０号公報参照）。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような従来の内燃機関の空燃比制御
装置にあっては、燃焼室から排出された排気（すなわち
、既に燃焼してしまった混合気）中の酸素濃度に基づい
て空燃比を検出し、この検出情報に基づいて燃料供給量
を制御する構成となっていたため、フィードバック制御
の応答性という面で改善の余地がある。

すなわち、混合気が燃焼すると、その排気がら空燃比が
検出され、この検出ステップから燃料供給量のフィード
バック制御値が演算されるというプロセスを経ているこ
とから、検出から制御の実行までにおける応答遅れが大
きく、例えば高回転域では目標とする燃料供給ｆｆ１（
目標空燃比に対応）に一致するまでに数十サイクルの燃
焼行程を必要とする場合もある。このような場合、目標
値に対するフィードバック制御の精度が低下するから、
燃焼性能が低下し、出力、燃費、排気性能の低下に至る
。

（発明の目的）そこで本発明は、燃焼によって生ずる燃焼光のスペクト
ル分布を検出し、そのスペクトル分布が目標パターンと
なるように供給空燃比を制御することにより、応答性の
面からフィードバック制御の精度を高めて燃焼性能を向
上させ、出力、燃費、排気性能を向上させることを目的
としている。

（問題点を解決するための手段）本発明による内燃機関の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光を検出する光検出手段ａと、
光検出手段ａの出力から燃焼光のスペクトル分布を判別
するスペクトル判別手段すと、スペクトル判別手段すの
出力に基づいて燃焼光のスペクトル分布が所定の目標パ
ターンとなるように燃料の供給量あるいは吸入空気量を
制御する制御値を演算する制御手段Ｃと、制御手段Ｃの
出力に基づいて燃料の供給量あるいは吸入空気量を操作
する操作手段ｄと、を備えている。

く作用）本発明は、燃焼によって生ずる燃焼光のスペクトル分布
が検出され、そのスペクトル分布が目標パターンとなる
ように供給空燃比が制御される。

したがって、応答性の面からフィードバック制御の精度
が高まり、燃焼性能の低下が防止されて出力、燃費、排
気性能が向上する。

（実施例）以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜８図は本発明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、１１は直列４
気筒エンジンのシリンダヘッド、１２はトランスミッシ
ョンであり、この図に示すシリンダヘッド１１はシリン
ダブロックから取り外して下側から見た状態を示してい
る。シリンダへラド１１には吸気マニホールド１４８〜
１４ｄの一端が連結され、これらの吸気マニホールド１
４ａ〜１４ｄには後述のインジェクタ４１ａ〜４１ｄが
それぞれ配設されている。また、シリンダへラド１１に
は４個の燃焼室１３ａ〜１３ｄが形成され、これらの燃
焼室１３ａ〜１３ｄには吸気弁１５２〜１５ｄ、排気弁
１６ａ〜１６ｄおよび点火プラグ１７ａ〜１７ｄがそれ
ぞれ臨んでいる。なお、１８ａ　〜１８ｄは吸気ボート
、１９２〜１９ｄは排気ボートである。

各燃焼室１３ａ〜１３ｄにはシリンダボア近傍において
それぞれ第１、第２、第３の各光ファイバ２１ａ　〜２
１ｄ、　２２ａ　〜２２ｂ、　２３ａ　〜２３ｄ　　（
光検出手段）の各一端が設けられており、第１、第２、
第３の各光ファイバは点火プラグ１７ａ〜１７ｄから遠
い部分でかつ排気弁１６ａ〜１６ｄ近傍にて燃焼室１３
ａ−１３ｄを臨んでいる。第１、第２、第３の各光ファ
イバ２１ａ　〜２１ｄ、　２２ａ　〜２２ｂ、　２３ａ
　〜２３ｄは燃焼室１３ａ〜１３ｄ内の光を検出してこ
れを伝送するもので、第１の光ファイバ２１ａ〜２１ｄ
の他端部は金具２４により一つに束ねられて波長２００
〜４００ｎｍの紫外光のみを透過するバンドパスフィル
タ２７に接続され、バンドパスフィルタ２７の光信号出
力は光電変換素子３０に入力される。また、第２の光フ
ァイバ２２ａ〜２２ｄの他端部は金具２５により一つに
束ねられて波長４００〜６００　ｎｍの可視光のみを透
過するバンドパスフィルタ２８に接続され、バンドパス
フィルタ２８の光信号出力は光電変換素子３１に入力さ
れる。さらに、第３の光ファイバ２３ａ〜２３ｄも金具
２６により第１、第２の光ファイバ２１ａ〜２１ｄ、２
２ａ〜２２ｄと同様に一つに束ねられて波長６００〜１
１０００ｎの赤色〜近赤外光のみを透過するバンドパス
フィルタ２９に接続され、バンドパスフィルタ２９の光
信号出力は光電変換素子３２に入力される。なお、各金
具２４．２５．２６、各バンドパスフィルタ２７．２８
．２９、（スペクトル判別手段）、各光電変換素子３０
．３１．３２はそれぞれ遮光ケース３３．３４．３５に
よって覆われており、遮光ケース３３．３４．３５は光
学ノイズが光電変換素子３０．３１．３２に入るのを防
止する。

第１の光電変換素子３０はバンドパスフィルタ２７によ
って燃焼光から分離された紫外光域の光エネルギを電気
信号に変換し、スペクトル信号１　ｕｖを制御回路４０
（制御手段）に出力する。一方、第２の光電変換素子３
１はバンドパスフィルタ２８によって、また第３の光電
変換素子３２はバンドパスフィルタ２９によってそれぞ
れ燃焼光から分離された可視光域、赤外〜近赤外光域の
光エネルギを各々電気信号に変換しスペクトル信号■８
い　１．とじて制御回路イ０にそれぞれ出力する。制御
手段４０にはスペクトル信号■。ｓ　　１１０％　　Ｉ
Ｎの他に図示は略されているが、機関回転数信号、吸入
空気温信号、その他運転条件を表す各種信号が入力され
ており、制御回路４０は運転条件から目標とするスペク
トル分布（目標空燃比に対応）を設定し、入力されたス
ペクトル信号１　ｕｖ、■８い　ＩＮに基づき次回の燃
焼行程における燃焼光のスペクトル分布がこの目標スペ
クトル分布となるように燃料供給量を演算し、インジェ
クタ４１ａ〜４１ｄ　（操作手段）に噴射信号を出力す
る。インジェクタ４１３〜４１ｄは噴射信号に基づいて
吸気マニホールド１４ａ〜１４ｄに連結される吸気ボー
）１８ａ〜１８ｄに燃料を噴射する。

次に、作用を説明する。

第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は代表的な混合気濃度３
種類について混合気が燃焼したときの燃焼光のスペクト
ル分布を示す図であり、混合気濃度によって燃焼光のス
ペクトル分布はそれぞれ特徴を有する。例えば、同図（
ａ）は希薄な混合気が燃焼したときの燃焼光のスペクト
ル分布を示しているが、波長６００ｎｍ以上の赤色〜赤
外光域の光強度は弱く、波長４００ｎｍを中心に３００
〜５００ｎｍに亘って光エネルギが集中している。同図
（ｂ）は理論空燃比、同図（Ｃ）は過濃な混合気がそれ
ぞれ燃焼したときの燃焼光のスペクトル分布を示してい
る。第４図は第３図に示す燃焼光スペクトル分布を波長
帯域毎にバンドパスフィルタ２７．２８．２９によって
分離したときのクランク角と光強度の関係を示す図であ
る。同図（ａ＞は紫外光域（ＵＶ　：　２００〜４００
ｎｍ）における光強度を示しており、希薄な混合気が燃
焼したとき光強度が最も強い。

また、同図（ｂ）は可視光域（Ｂ−Ｇ：４００〜６００
ｎｍ）における光強度を示しており、理論空燃比の混合
気が燃焼したとき光強度が最も強く、同図（ｃ）では過
濃な混合気が燃焼したとき赤色〜赤外光域（Ｒ：６００
〜１０１０００ｎの光強度が最も強い。

このように、空燃比に対する燃焼光のスペクトル分布に
は特徴的なパターンがあり、このパターンを検出するこ
とで空燃比が判別できる。

第８図は各気筒の燃焼サイクルとバンドパスフィルタ３
０．３１．３２の各出力の関係を示すタイミングチャー
トであり、各気筒は同図に示すような順序（イーホ）で
燃焼サイクルを繰り返している。

燃焼光の発生に伴う作用については説明の都合上第１気
筒（第２図中左端の気筒）を例にとる。

燃焼室１３ａ内で点火プラグ１７ａにより火花点火が行
われると、混合気の燃焼による燃焼光は光ファイバ２１
ａ　、　２２ａ　、２３ａによってバンドパスフィルタ
２７．２８．２９にそれぞれ伝送される。バンドパスフ
ィルタではそれぞれのバンドパスフィルタを有する通過
帯域に応じたスペクトル成分のみが通過し、光電変換素
子３０．３１．３２へ入力される。第５図〜第７図は混
合気の空燃比を変えたときの燃焼光に基づく光電変換素
子３０．３１．３２の各出力ＩｕｖｓＩｇい　■８を波
長帯域別に示した図であり、光電変換素子３０．３１．
３２の出力１　ｕｖ、ＩａｃｓＩ）（は前述のように混
合気の空燃比によって信号の強度が異なる。いま、機関
が部分負荷運転状態で供給温合気が理論空燃比でなけれ
ばならないとき、。

制御回路４０により光電変換素子３０．３１．３２の出
力（あるいは、その積分された信号強度）■ｕｖ、■８
い　Ｉ８が比較され、その比■ｕｖ／ＩＢいあるいはＩ
Ｒ／ＩＩＧ（以下、強度比という）の各値が最小となる
ように燃料供給量が増減補正される（第６図（ｂ）参照
）。例えば、燃焼室１３ａ内の燃焼光によって光電変換
素子３０．３１．３２の各出力が第５図（希藩混合気の
燃焼光スペクトル分布）のようなパターンであると、強
度比Ｔ　ｕｖ／　Ｉ　ｍＧの値が大きくなり、制御回路
４０によって次回の燃焼サイクルまでに燃料供給量が増
量補正される。第８図イ、ホはこの作用を示しており、
イーｅ、ｆ、ｇの各波形は第５図に対応している。また
、ホーｅ、ｆ、ｇの各波形は第６図（理論空燃比のとき
の燃焼光スペクトル分布）に対応している。すなわち、
第１気筒の膨張行程で希薄な混合気の燃焼が検出され（
イーａ参照）理論空燃比となるように燃料供給量が増量
補正され、ローａ　（排気）で燃料噴射が行われる。そ
して、ホーｅ、ｆ、ｇ　（次回の燃焼サイクル）に示す
ように各波長は理論空燃比の燃焼光スペクトル分布とな
る。また、燃焼室１３ａ内の燃焼光によって光電変換素
子３０．３１．３２の各出力が第７図（過濃混合気の燃
焼光スペクトル分布）のようなパターンであると、強度
比■８／ｒａＧの値が大きくなり、制御回路４０によっ
て次回の燃焼サイクルまでに燃料供給量が一＄ｉ量補正
される。一方、機関が高負荷運転状態で出力を必要とす
るときには強度比Ｉ　ｕｖ／　Ｉ　＊　、　　Ｉ　ｔｒ
ｒ、／　Ｉ　＊の値が最小、あるいは予め出力特性を重
視した実験等により設定された値になるように制御回路
４０によって燃料供給量が増減補正される。例えば、燃
焼室１３ａ内の燃焼光によって光電変換素子３０．３１
．３２の各出力が第５図、または第７図のようなパター
ンであると、強度比Ｉｕｖ／ＩＲ１またはＩ　＊ｃ／Ｉ
、Ｉの値が大きくなり、制御回路４０によって燃料供給
量が増減補正される。

以上説明した燃料供給の増減補正の刻み幅は、応答性や
制御精度に応じて適切に設定される。

このように、本実施例では燃焼によって生ずる燃焼光の
スペクトル分布が検出され、そのスペクトル分布が目標
パターン、例えば理論空燃比に対応するパターンとなる
ように燃料供給量が増減補正される。この場合、燃焼光
は今回の燃焼サイクル途中の燃焼状態を表しており、そ
の検出速度は従来のような排気酸素濃度に基づく検出精
度にくらべて格段と速い。すなわち、空燃比検出という
点で極めて応答性が高く、燃焼と略同−タイミング（リ
アルタイム）といってよい。したがって、このような略
同−タイミングの検出情報に基づいて燃料供給量のフィ
ードバック補正が成されているので、検出から制御の実
行までにおける応答遅れがほとんどなくなり、制御系に
おける演算時間のみとなる（この処理時間は電気信号に
よるので実際上極めて短い）。そのため、仮に高回転域
での運転であっても目標値への収束時間が極めて短く、
目標値に対するフィードバック制御の精度が格段と高ま
る。その結果、燃焼性能が高められて、出力、燃費、排
気性能を向上させることができる。

なお、いま第１気筒の燃焼室１３ａを例に説明したが、
他の気筒の燃焼室１３ｂ〜１３ｄについても全（同様に
燃焼光の検出、燃料供給量の制御が行われる。

また、本実施例では光ファイバによって伝送された光を
一つの光電変換素子が各燃焼室１３ａ〜１３ｄの同−波
長光毎にまとめて受光することによりコストの低減を図
っているが、このような構成としても制御回路４０は各
気筒毎の点火タイミングを判別して制御しているので、
どのタイミングに対して光信号が発生したかを判断する
ことでその光信号がどの気筒の燃焼光に起因するものか
は容易に判別できる。

さらに、本実施例では空燃比の制御方法として燃料供給
量を可変としているが、空燃比のパラメータとしては空
気もあるから、吸入空気量を操作するようにしてもよい
。

（効果）本発明によれば、燃焼によって生ずる燃焼光のスペクト
ル分布を検出し、そのスペクトル分布が所定の目標パタ
ーンとなるように燃料の供給量あるいは吸入空気量を制
御しているので、空燃比の検出応答性を高めてフィード
バック制御の精度を向上させることができ、燃焼性能を
高めて出力、燃費、排気性能を向上させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜８図は本発明に係
る内燃機関の空燃比制御装置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図はその燃焼光のスペ
クトル分布を示す図、第４図はその各波長帯域別のクラ
ンク角に対する光強度の関係を示す図、第５図はその希
薄混合気が燃焼したときの光強度を各波長帯域毎に示す
図、第６図はその理論空燃比の混合気が燃焼したときの
光強度を各波長帯域別に示す図、第７図はその過濃混合
気が燃焼したときの光強度を各波長帯域別に示す図、第
８図はその燃焼行程と各バンドパスフィルタの出力の関
係を示すタイミングチャート、第９図は従来の内燃機関
の空燃比制御装置を示すその全体構成図である。２１ａ　〜２１ｄ、　２２ａ　〜２２ｄ、　２３ａ　〜
２３ｄ・・・・・・光ファイバ（光検出手段）、２７．
２８．２９・・・・・・バンドパスフィルタ（スペクト
ル判別手段）、４０・・・・・・制御回路（制御手段）、４１ａ〜４１
ｄ・・・・・・インジェクタ（操作手段）。

Claims

【特許請求の範囲】ａ）エンジンの燃焼室内で発生する光を検出する光検出
手段と、ｂ）光検出手段の出力から燃焼光のスペクトル分布を判
別するスペクトル判別手段と、ｃ）スペクトル判別手段の出力に基づいて燃焼光のスペ
クトル分布が所定の目標パターンとなるように燃料の供
給量あるいは吸入空気量を制御する制御値を演算する制
御手段と、ｄ）制御手段の出力に基づいて燃料の供給量あるいは吸
入空気量を操作する操作手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。