JP2002340800A - エンジンの燃料濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関の燃焼室内の燃料濃度を高精度に検出
する。 【解決手段】一対のサファイアロッド８，９間に光源３
から測定光を入射させたときの通過後の光強度を第１検
出器１１で検出し、該検出値を、遮断弁１２で前記測定
光を遮断したときの第１検出器１１の出力値でドリフト
補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン（内燃機
関）の燃焼室内の燃料濃度を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光の吸収の原理に基づいて、測定
対象の濃度を検出する濃度検出手法はさまざまな分野に
汎用的に用いられてきた。内燃機関の空燃比計測のため
にも、同様の原理を利用し、たとえば特開平１１−５１
８６６号公報に示されている内燃機関の空燃比測定装置
がある。

【０００３】特開平１１−５１８６６号公報では、燃料
に選択的に吸収される赤外光を燃焼室内に投射し、燃料
通過後の透過率を検出し、該透過率と、空気密度に基づ
いて、点火前の燃焼室内の空燃比を検出する構成となっ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外検
出器は熱等の影響により、出力値がドリフトし、透過光
強度が不正確になる場合がある。特開平１１−５１８６
６号公報では、この点に関する記載がなく、検出された
空燃比の誤差が大きくなることが懸念される。従来よ
り、光源のＯＮ−ＯＦＦやチョッパによる光の断続によ
って、出力を矩形波とし、矩形波のプラス側ピークとマ
イナス側ピークの差を出力値とすることにより、出力ド
リフトの影響を除去する方策が講じられている。

【０００５】しかしながら、上記のような光の断続によ
る測定では、断続する周波数によって時間分解能が左右
されることになる。特に、内燃機関に適用する場合、圧
縮上死点付近の空燃比が急激に変化するような、たとえ
ば直噴エンジンの圧縮行程噴射時等の点火時期付近での
空燃比測定に対しては、機関回転数によっては時間分解
能が充分とはいえない場合がある。また、内燃機関で
は、燃焼による熱発生が毎サイクル発生し、ドリフトを
補正するための光を遮断する時期の選択が重要となる。

【０００６】本発明は、このような従来の課題に着目し
てなされたもので、光検出器の出力ドリフトの影響をサ
イクル毎に補正することにより、高精度の燃料濃度測定
を行うことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明は、燃焼室内部の測定光路に特定波長の測定光を
導く測定光導入光路と、測定光路を透過した測定光を燃
焼室外部へ導き出す測定光導出光路と、燃焼室外部へ導
き出された測定光の強度に応じた信号を出力する光強度
検出器と、前記光強度検出器への測定光の導出を遮断す
る光遮断手段と、測定光の導出を行なったときの光強度
検出器の出力信号を、測定光の導出を遮断したときの光
強度検出器の出力信号で補正し、測定光路を透過した測
定光の強度を算出する透過測定光強度算出手段と、測定
光路に入射した測定光の強度と透過測定光強度算出手段
で算出した透過測定光の強度とに基づいて測定光路にお
ける測定光の透過率を算出し、この透過率に基づいて測
定光路中の混合気の燃料濃度を算出する燃料濃度算出手
段と、を備えることを特徴とする。

【０００８】請求項1に係る発明によると、光強度検出
器のドリフト量を、光遮断手段で測定光が遮断されとと
きに検出して測定光の強度を補正することで、検出器の
ドリフトに左右されず、燃焼室内の燃料濃度（空燃比）
を精度良く計測することが可能となる。また、請求項2
に係る発明は、前記光遮断手段により測定光を遮断する
区間が、熱輻射の影響が小さい期間に設定されることを
特徴とする。

【０００９】また、請求項3に係る発明は、前記光遮断
手段により測定光を遮断する区間が、排気上死点から吸
気下死点後６０°のクランク角期間に設定されることを
特徴とする。内燃機関では、圧縮上死点付近における点
火または着火によって、その後燃焼室内に熱エネルギー
が発生する。また、圧縮開始温度が高い場合、ピストン
の圧縮よって圧縮上死点前においても燃焼室内の熱エネ
ルギーが増大する。

【００１０】そこで、前記光遮断手段により測定光を遮
断する区間を、請求項２に係る発明のように、燃焼によ
る熱輻射の影響が小さい期間、具体的には、請求項３に
係る発明のように、排気上死点から吸気下死点後６０°
のクランク角期間に設定することにより、燃焼およびピ
ストンによる圧縮によって発生する熱輻射によって遮断
中の透過光出力が影響されることがなく、正しいドリフ
ト量を算出することが可能となり、ドリフト量補正を精
度良く行うことができる。

【００１１】また、請求項4に係る発明は、前記光遮断
手段が、測定光路上に設けた開閉する遮断弁であること
を特徴とする。請求項4に係る発明によると、前記光遮
断手段を光路上に設けた開閉する遮蔽弁としたため、光
源の種類によらず、簡易な方法で光の入射と遮断を行う
ことができる。

【００１２】また、請求項5に係る発明は、前記光遮断
手段が、所定期間光源の発光を停止する光源のＯＮ−Ｏ
ＦＦ装置であることを特徴とする。請求項５に係る発明
によると、前記光遮断手段を所定期間光源の発光を停止
する光源のＯＮ−ＯＦＦ装置としたため、サイクル毎に
遮断期間のバラツキを少なくすることができ、さらに、
機関回転数が非常に高い場合でも１サイクル中の所定期
間光を遮断することが可能）となり、幅広い機関回転領
域の燃料濃度測定が可能となる。

【００１３】また、請求項6に係る発明は、排気上死点
前３０°から排気上死点間の透過光強度の平均値と、光
遮断区間中の透過光強度の平均値との差異を検出し、前
期透過光強度の差異が所定値以下であった場合、警告を
発する警告装置を備えることを特徴とする。請求項６に
係る発明によると、排気上死点前３０°から排気上死点
問の透過光強度の平均値と、光遮断区間中の透過光強度
の平均値の差異が所定値以下であった場合、警告を発す
る警告装置を備えるようにしたため、たとえば光源や光
強度検出器の故障、光学素子の汚れ、破損および光軸の
ずれ等によって燃料濃度測定結果に異常が生じた場合、
速やかに異常を察知して対応することにより、常時信頼
性の高い燃料濃度計測結果を得ることができる。

【００１４】また、請求項7に係る発明は、測定光路に
入射する測定光の強度に応じた信号を出力する第２光強
度検出器を備え、前記透過測定光強度算出手段は、該測
定光路に入射する測定光を基準値と比較して光源出力の
変動補正係数を算出し、前記燃焼室外部へ導き出された
測定光の強度に応じた信号を出力する光強度検出器の出
力を前記変動補正係数によっても補正することを特徴と
する。

【００１５】請求項７に係る発明によると、光源の出力
変動に対しても補正が行われ、測定精度がより向上す
る。また、請求項8に係る発明は、前記光遮断手段は、
前記光強度検出器への測定光の導出の遮断を、前記第２
光強度検出器への測定光の導入前で遮断して行い、前記
透過測定光強度算出手段は、前記測定光の導入を遮断さ
れたときの第２光強度検出器の出力値に基づいて、測定
光導入時の第２光強度検出器の出力値を補正し、該補正
された出力値を前記基準値と比較して前記光源出力の変
動補正係数を算出することを特徴とする。

【００１６】請求項８に係る発明によると、第２光強度
検出器のドリフト補正を行った上で、算出した光源出力
の変動補正係数を用いることにより、測定精度がより一
層向上する。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態の全体
図を示す。エンジン１の燃焼室２に投入される燃料に選
択的に吸収される波長の光を発する光源３を配設する。
ここでは光源３として、波長３．３９μｍの赤外光を発
振するＨｅ−Ｎｅレーザを示してある。波長３−３９μ
ｍの赤外光は飽和炭化水素類に吸収される。したがって
飽和炭化水素類を多く含むガソリンや、天然ガス等を燃
料とした内燃機関の空燃比測定に適している。ただし、
光源３はヒーター等の発熱体や別の燃料成分に吸収され
る別の波長のレーザ等であってもよい。光源３を出た光
は、まずビームスプリッタ４によってその一部が出力の
モニタ用として第２検出器５に入射される。第２検出器
５の受光面前面には、バンドパスフィルタが配されてお
り、３．３９μｍ付近の波長の光のみ透過するようにな
っている。したがって、第２検出器５は光源３（ここで
はレーザ）の出力変動をモニタするために設けられてい
る。ビームスプリッタ４を透過した光は、光ファイバ６
に入射し、光ファイバ６内を通過してセンサ付点火プラ
グ７に装着されたサファイアロッドヘ導かれる。

【００１８】ここで、図２に測定部の詳細図を示す。測
定部は前記点火プラグ７のスパークギャップ側方にサフ
ァイアロッド８，９が装着されており、該一対のサファ
イアロッド８，９の先端が４５°の角度をなして燃焼室
２内で対向している。光ファイバ６によって光は一方の
サファイアロッド８に入射し、燃焼室２に突出した４５
°の界面で反射し、燃焼室２空間を横切って対向するサ
ファイアロッド９に入射する。その後、対向するサファ
イアロッド９の４５°の界面で反射し、もう１方の光フ
ァイバ１０によって燃料濃度測定用の第１検出器１１へ
導かれる。該第１検出器１１は、前記出力変動モニター
用の第２検出器５と同様に、前面にバンドパスフィルタ
が配されており、３．３９μｍ付近の波長の光のみ透過
するようになっている。これによって第１検出器１１周
辺の熱ノイズの影響を除去している。

【００１９】対向するサファイアロッド８，９間が燃料
濃度（空燃比）測定空間となり、該測定空間に燃料が存
在する場合、光が吸収されて減衰し、その減衰量が燃料
濃度に依存することによって燃料濃度を計測することが
出来る。その関係はＬａｍｂｅｒ−Ｂｅｅｒ則に基づ
き、次式で表わされる。透過率Ｔ＝Ｉ／Ｉ₀＝ｅｘｐ
（−ε×Ｃ×Ｌ）ここで、Ｉは透過光強度、Ｉ₀は燃料
による吸収がない場合の透過光強度（ここでは、入射光
強度とよぶ）、εは吸光係数、Ｃは燃料濃度、Ｌは光路
長である。吸光係数は燃料に固有の係数であり、光路長
は本実施形態ではサファイアロッド８，９間の間隔で一
定であるため、透過率を計測することにより燃料濃度を
算出することができる。

【００２０】また、本実施形態では、光源３の直後に遮
断弁１２を設け、クランク角度センサ１３からの信号に
基づいて、１サイクル中の所定区間燃焼室２および第２
検出器５，１１への光の入射を遮るよう作動する。ここ
では、遮断弁１２は、排気上死点後３０°から排気上死
点後１５０°のクランク角期間、光を遮断するよう駆動
制御される。

【００２１】前記第２検出器５および第１検出器１１の
１サイクルにおける出力波形の模式図を図３に示す。こ
こでは、ポート噴射式エンジンに適用した場合の出力値
を図示してある。まず、排気上死点から吸気行程初期に
おいては、吸気バルブ２１が開くことにより、空気また
は混合気が流入する。混合気が流入する場合、吸気行程
初期には比較的濃い混合気が点火プラグ７を通過するた
め、燃焼室２内を通過した光を検出する第１検出器１１
の透過光出力が減衰する。しかしながら、この期間は、
混合気が測定部を通過するような時期には上述したよう
な遮断弁１２の作動により、第２検出器５および第１検
出器１１の出力値は混合気の存在とは無関係に、光強度
ゼロの出力値となる。しかる後に遮断弁１２が開とな
り、第１検出器１１は燃焼室２を透過した透過光強度、
第２検出器５はレーザの出力に応じた光強度を検出す
る。

【００２２】圧縮行程に至ると、ピストン２２の圧縮に
よって密度が上昇し、測定空間における燃料分子が増大
するため、光吸収量が多くなり、第１検出器１１の出力
値は低下していく。点火後、火炎によって測定空間中の
燃料分子が燃焼し、同時に熱発生によって測定空間から
波長３．３９μｍを含む熱輻射が検出器に入射するた
め、出力値が排気上死点付近の燃料のない初期状態の出
力値を越えて大きくなる。熱輻射の影響は、排気行程中
盤まで減衰しつつ検出される。排気上死点前３０°付近
では熱輻射の影響が検出されない程度まで下がり、再び
次サイクルの吸気行程へと続く。

【００２３】燃料濃度を算出するために、上述したＬａ
ｍｂｅｒ−Ｂｅｅｒの式中の透過率を算出する。透過率
を算出するためには、測定する随意のクランク角度の透
過光強度とともに、燃料分子が存在しない場合の透過光
強度（入射光強度）を求める必要がある。内燃機関の燃
焼室に燃料が最も少ない時期は、燃焼後の膨張行程、排
気行程、および混合気流入前の吸気行程初期である。

【００２４】このうち、膨張行程および排気行程前半
は、前述のように、測定空間に燃料分子は存在しなくて
も、熱輻射の影響により検出器出力が影響されるため、
熱輻射の影響のない時期、すなわち排気上死点近傍の透
過光強度を使用する。具体的には、排気上死点前３０°
から排気上死点までの３０°ＣＡにおける透過光強度の
平均値を用いる。平均するのは、検出器の電気ノイズ、
燃焼生成物やオイルミストのように低濃度ながら存在す
る可能性がある燃焼室内の光島か阻害要因によるエラー
を軽減するためである。

【００２５】前記入射光強度と各クランク角度における
透過光強度の比から透過率を算出する。上記透過率から
クランク角度毎の燃料濃度が求まる。また、前記燃料濃
度と、吸入空気流量計１４によって計測された吸入空気
流量Ｑと、前記クランク角センサ１３で検出されるクラ
ンク角度（ピストン２２位置で決まる気筒容積）から求
まる燃焼室２内の吸入空気密度とに基づいて、各クラン
ク角度毎の燃料濃度（空燃比）を求めることができる。
なお、これらの算出は、ＣＰＵで構成される演算装置１
５により行う。

【００２６】ここで、上記透過率の算出において、レー
ザ出力の変動、検出器ドリフトが直接的に透過光強度に
影響を与えるため、燃料濃度の算出においては、それら
の誤差要因を取り除く必要がある。検出器の出力値は、
遮断弁１２が閉じることにより、前記所定期間、光が入
射しない状態に下がるが、その他の期間はレーザの出力
値のみによって変化する。したがって、検出器の出力に
よってレーザ出力の変動を補正することができる。ま
た、遮断弁１２が閉であり、光が入射しない状態では、
検出器の出力ドリフトがなければ、ゼロとなり、ゼロか
らのずれがドリフトに相当する。したがって、ゼロから
のずれ量を差し引くことでドリフト量の補正が出来る。

【００２７】一方、第１検出器１１は、毎サイクル、サ
イクル変動を含む燃焼室内の混合気の運動、ピストンの
圧縮による密度変化、および燃焼生成物や熱輻射の影響
を受ける。ここで、遮断弁１２閉時の検出器出力値によ
って、検出器の出力ドリフトの影響を除去しようとする
と、第１検出器１１の出力値は熱輻射により膨張から排
気行程において大きく影響をうけ、燃料のない初期状態
の値を越える。したがって、遮断弁１２を作動し、検出
器の出力ドリフトを較正するにはふさわしくない。ま
た、圧縮行程後半は本来の圧縮行程後半における燃料濃
度測定という主旨からすると当然適当ではない。

【００２８】したがって、これまで述べてきたような燃
料濃度測定装置を内燃機関に適用するにおいては、検出
器のドリフトを補正し、精度の高い空燃比を得るために
は、光の入射を遮断する時期を吸気行程〜圧縮行程前半
に設定する必要がある。前記第１検出器１１および第２
検出器５の出力を補正する手順に関し、図３のタイムチ
ャートおよび図４に示すフローチャートに基づいて説明
する。

【００２９】まず、Ｓ１では、遮断弁１２閉期間の第２
検出器５の出力値を平均し、ドリフト量Ａを算出する。
Ｓ２では、遮断弁１２開後のクランク角度毎の第２検出
器５出力値Ｘｉから前記ドリフト量Ａをそれぞれ差し引
くことで第２検出器５のドリフトを補正する（補正値Ｘ
ｉ’＝Ｘｉ−Ａ）。

【００３０】Ｓ３では、予め設定されたドリフトのない
場合の第２検出器５出力の基準値Ｓを読込む。Ｓ４で
は、遮断弁１２開時の第２検出器５出力値をドリフト補
正した値の平均値Ｘｉ’avを算出する。Ｓ５では、前記
遮断弁１２開時の出力値の平均値Ｘｉ’avと基準値Ｓを
比較し、該平均値を基準値Ｓに合わせるように、レーザ
出力変動の補正係数Ｋを次式のように設定する。

【００３１】Ｋ＝Ｘｉ’av／Ｓ Ｓ６では、第２検出器５と同様に第１検出器１１のドリ
フト量Ｂを遮断弁１２閉時の出力値から算出する。Ｓ７
では、第１検出器１１の遮断弁１２開時の出力値Ｚｉか
ら前記ドリフト量Ｂを差し引き、第１検出器１のドリフ
ト補正を行う（補正値Ｚｉ’＝Ｚｉ−Ｂ）。

【００３２】Ｓ８では、前記補正係数Ｋを第１検出器１
１の出力に乗じることによってレーザ出力変動の影響を
補正し、燃焼室２内を経由した透過光強度Ｚｉ”を算出
する（Ｚｉ”＝Ｋ・Ｚｉ’）。Ｓ９では、前記透過光強
度Ｚｉ”が出力異常判定用の閾値以内であるかを判定
し、閾値より大きいときは、正常と判断してＳ１０へ進
み、透過光強度Ｚｉ”から燃料濃度（空燃比）を算出す
る。

【００３３】Ｓ９で、閾値以内と判定されたときは、Ｓ
１１へ進んで出力異常を生じていると警報する。該警報
で装置の異常を察知して対応することにより、常時信頼
性の高い燃料濃度計測結果を得ることができる。以上の
ようにすれば、透過率を求め、検出器のドリフト、光源
の出力変動の影響を取り除いた透過光強度Ｚｉ”に基づ
いて、精度の高い燃料濃度（空燃比）測定値を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す図

【図２】同上実施形態の点火プラグ近傍を示す図

【図３】同上実施形態における各検出器の出力補正の様
子を示すタイムチャート

【図４】同上の各検出器の出力補正ルーチンを示すフロ
ーチャート

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） ２ 燃焼室 ３ 光源 ５ 第２検出器 ６，１０ 光ファイバ ７ 点火プラグ ８，９ サファイアロッド １１ 第１検出器 １２ ビームスプリッタ １３ クランク角センサ １５ 演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 輝行 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB01 CC15 EE01 GG01 GG05 HH01 HH06 JJ02 JJ12 JJ17 JJ22 KK01 KK03 LL02 MM03 MM05 MM17 NN01 NN05 NN07 NN08 2G087 AA13 BB25 CC40 3G084 DA04 EA08 EA11 EB25 FA07 FA14 FA23 FA38 FA39

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室内部の測定光路に特定波長の測定光
   を導く測定光導入光路と、 測定光路を透過した測定光を燃焼室外部へ導き出す測定
   光導出光路と、 燃焼室外部へ導き出された測定光の強度に応じた信号を
   出力する光強度検出器と、 前記光強度検出器への測定光の導出を遮断する光遮断手
   段と、 測定光の導出を行なったときの光強度検出器の出力信号
   を、測定光の導出を遮断したときの光強度検出器の出力
   信号で補正し、測定光路を透過した測定光の強度を算出
   する透過測定光強度算出手段と、 測定光路に入射した測定光の強度と透過測定光強度算出
   手段で算出した透過測定光の強度とに基づいて測定光路
   における測定光の透過率を算出し、この透過率に基づい
   て測定光路中の混合気の燃料濃度を算出する燃料濃度算
   出手段と、 を備えることを特徴とするエンジンの燃料濃度測定装
   置。
2. 【請求項２】前記光遮断手段により測定光を遮断する区
   間が、熱輻射の影響が小さい期間に設定されることを特
   徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料濃度測定装
   置。
3. 【請求項３】前記光遮断手段により測定光を遮断する区
   間が、排気上死点から吸気下死点後６０°のクランク角
   期間に設定されることを特徴とする請求項２に記載のエ
   ンジンの燃料濃度測定装置。
4. 【請求項４】前記光遮断手段が、測定光路上に設けた開
   閉する遮断弁であることを特徴とする請求項１〜請求項
   ３のいずれか１つに記載のエンジンの燃料濃度測定装
   置。
5. 【請求項５】前記光遮断手段が、所定期間光源の発光を
   停止する光源のＯＮ−ＯＦＦ装置であることを特徴とす
   る請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジン
   の燃料濃度測定装置。
6. 【請求項６】排気上死点前３０°から排気上死点間の透
   過光強度の平均値と、光遮断区間中の透過光強度の平均
   値との差異を検出し、前期透過光強度の差異が所定値以
   下であった場合、警告を発する警告装置を備えることを
   特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の
   エンジンの燃料濃度測定装置。
7. 【請求項７】測定光路に入射する測定光の強度に応じた
   信号を出力する第２光強度検出器を備え、前記透過測定
   光強度算出手段は、該測定光路に入射する測定光を基準
   値と比較して光源出力の変動補正係数を算出し、前記燃
   焼室外部へ導き出された測定光の強度に応じた信号を出
   力する光強度検出器の出力を前記変動補正係数によって
   も補正することを特徴とする請求項１〜請求項５のいず
   れか１つに記載のエンジンの燃料濃度測定装置。
8. 【請求項８】前記光遮断手段は、前記光強度検出器への
   測定光の導出の遮断を、前記第２光強度検出器への測定
   光の導入前で遮断して行い、前記透過測定光強度算出手
   段は、前記測定光の導入を遮断されたときの第２光強度
   検出器の出力値に基づいて、測定光導入時の第２光強度
   検出器の出力値を補正し、該補正された出力値を前記基
   準値と比較して前記光源出力の変動補正係数を算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載のエンジンの燃料濃度
   測定装置。