JP2003056385A - 内燃機関の筒内状態計測装置及び筒内状態制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】点火プラグ近傍のガス流速及び混合気濃度を同
時に検出できる筒内状態計測装置を提供し、経時変化・
ばらつきがあってもガス流速及び混合気濃度を要求値に
維持できるようにする。 【解決手段】レーザドップラ流速計において、測定領域
に収束させる２本レーザ光を入光させるためのファイバ
ー１６，１７を点火プラグ７の基端側に接続する一方、
２本のレーザ光を収束させるためのフロントレンズ１
９、及び、測定領域からの散乱光を集光する集光レンズ
１８を、点火プラグ７内に配置する。また、ファイバー
１６及びフロントレンズ１９を介して、濃度測定用レー
ザ光を点火プラグ７の側方電極７ｃに照射し、側方電極
７ｃでの反射光を、フロントレンズ１９及びファイバー
１６を介して取り出して、濃度測定用レーザ光の減衰か
ら混合気濃度を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の筒内状
態計測装置及び筒内状態制御装置に関し、詳しくは、筒
内でガス流速及び混合気濃度を同時に計測する装置、及
び、筒内でのガス流速及び混合気濃度の検出結果に基づ
いて機関を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関の筒内の混合気雰囲気内
にレーザ光を通過させ、このときのレーザ光の減衰に基
づいて混合気の濃度を計測する装置が知られている（特
開平６−２８０６６９号公報参照）。また、レーザドッ
プラ流速計を用いて内燃機関の筒内におけるガス流速を
計測させる構成が、特開平１１−０８３８８５号公報に
開示されている。

【０００３】更に、ガス流速及び特定化学種の濃度計測
を、同一部位において同時に行わせる装置が、特開平１
０−０７８４４４号公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、筒内直接噴
射式内燃機関などでリーンバーン燃焼を行わせる場合に
は、点火プラグ周りの混合気濃度及びガス流速が燃焼性
に大きく影響するため、前記濃度・流速を考慮した制御
特性が設定されるが、実機上でこれらを同時に計測して
フィードバック制御できる構成ではなかった。

【０００５】このため、機関のばらつきや経時変化に対
応することができず、初期設定としてプラグ周りの濃度
を必要最小限よりも濃くする設定を行っていた。また、
上記点火プラグ周りの混合気濃度及びガス流速のフィー
ドバック制御を実現するためには、混合気濃度の計測装
置と、ガス流速の計測装置とを備える必要があるが、こ
れらを個々に独立に点火プラグに内蔵させるのは、プラ
グ容積の制約から不可能であり、また、濃度計を特開平
６−２８０６６９号公報に開示されるように点火プラグ
に内蔵させる一方、ガス流速計を点火プラグとは別にシ
リンダヘッドに装着することも、シリンダヘッド周りの
空き空間が限られるために困難である。

【０００６】特開平１０−０７８４４４号公報には、ガ
ス流速及び特定化学種の濃度計測を、同一部位において
同時に行わせる装置が開示されているものの、該装置
は、検出対象を挟んで両側に検出装置を配置する構成で
あるため、内燃機関の筒内状態の検出には適用すること
ができないという問題があった。本発明は上記問題点に
鑑みなされたものであり、混合気濃度の計測装置とガス
流速の計測装置とをコンパクトに１つにまとめてシリン
ダヘッドに装着できる筒内状態計測装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】また、筒内での混合気濃度及びガス流速か
ら、燃焼状態を最適に制御できる筒内状態制御装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため、請求項１記載
の発明に係る筒内状態計測装置は、機関の筒内における
ガス流速を計測するレーザドップラ流速計と、機関の筒
内を通過するレーザ光の減衰から混合気濃度を計測する
濃度計とを、光学系の少なくとも一部を共用させて一体
化する構成とした。

【０００９】かかる構成によると、レーザドップラ流速
計は、レーザ光源から出射された２本のレーザビームを
レンズによって測定領域に収束させ、該測定領域に生じ
る干渉縞内を粒子が通過する際に発生する散乱光をレン
ズで集光して光電変換器で電気信号に変換し、該光電変
換器が出力するドップラ・バースト信号を信号処理して
前記粒子の速度を測定するものであり、また、濃度計
は、筒内の混合気雰囲気中にレーザを通過させた後、そ
の強度を検出することで、筒内を通過した時の減衰を求
め、周知のランバートーベアの法則による濃度と減衰と
の相関から混合気濃度を計測するものであるそして、前
記レーザドップラ流速計のレーザ光の経路を構成する光
学系（レンズ・ファイバー等）と前記濃度計のレーザ光
の経路を構成する光学系（レンズ・ファイバー等）との
少なくとも一部が共用され、同じ光学系を用いてレーザ
ドップラ流速計のレーザ光と濃度計のレーザ光とが入出
光される。

【００１０】請求項２記載の発明では、前記レーザドッ
プラ流速計と濃度計とを、光学系の少なくとも一部を共
用させて点火プラグに内蔵する構成とした。かかる構成
によると、点火プラグにレーザドップラ流速計及び濃度
計を内蔵させることで、点火プラグ周りのガス流速及び
混合気濃度が計測され、かつ、両者の光学系の少なくと
も一部を共用させることで、点火プラグ内にまとめて内
蔵させる。

【００１１】請求項３記載の発明では、前記濃度計用と
して筒内に入光したレーザ光を、点火プラグの側方電極
で反射させて点火プラグ側に戻す構成とした。かかる構
成によると、点火プラグから出射した濃度計測用のレー
ザ光は、点火プラグの側方電極で反射して点火プラグ側
に戻って、該点火プラグに戻ったレーザ光の強度を検出
することで、点火プラグの中心電極と側方電極とで挟ま
れる測定空間内における混合気濃度が計測される。

【００１２】請求項４記載の発明では、前記レーザドッ
プラ流速計と濃度計とで、レンズを共用する構成とし
た。かかる構成によると、例えば、レーザドップラ流速
計において２本のレーザビームを測定領域に収束させる
ために用いるレンズを用いて、濃度測定用のレーザを筒
内に出射させ、かつ、筒内を通過したレーザ光を測定装
置に入光させることで、レレンズが共用化される。

【００１３】請求項５記載の発明では、前記レーザドッ
プラ流速計と濃度計とで、レーザ光の入出力経路を構成
するファイバーを共用する構成とした。かかる構成によ
ると、例えば、レーザドップラ流速計において２本のレ
ーザビームを測定領域に向け出射させるために用いる２
本のファイバーのうちの１本を、筒内に向けて濃度計測
用のレーザを出射させるのに併用し、また、他方の１本
を筒内から戻った濃度測定用レーザの経路として併用す
ることで、ファイバーが共用化される。

【００１４】請求項６記載の発明では、前記レーザドッ
プラ流速計用として筒内に入光させるレーザ光と、前記
濃度計用として筒内に入光させるレーザ光とを、マルチ
プレクサを用いて共用するファイバーに入射させる構成
とした。かかる構成によると、流速計用のレーザ光と濃
度計用のレーザ光とが、マルチプレクサによって同じフ
ァイバーに入射し、該ファイバーが共用される。

【００１５】請求項７記載の発明では、前記レーザドッ
プラ流速計用のレーザ光を筒内に入光させるためのファ
イバーによって、筒内を通過した前記濃度計用のレーザ
光を導出させる構成とし、かつ、ハーフミラーによって
入光側と導出側との経路を分離する構成とした。かかる
構成によると、同じファイバーに対して流速計用のレー
ザ光が入射されると共に、該入射口から、筒内を通過し
た濃度計用のレーザ光が出射する構成であって、流速計
用のレーザ光源からのレーザ光をハーフミラーで屈曲さ
せてファイバーに入射させるか、及び／又は、ファイバ
ーから出射するレーザ光をハーフミラーで屈曲させて検
出器に導く。

【００１６】一方、請求項８記載の発明に係る筒内状態
制御装置は、機関の筒内におけるガス流速を計測するガ
ス流速計測手段と、機関の筒内で混合気濃度を計測する
混合気濃度計測手段と、前記ガス流速の基準値を設定す
る基準流速設定手段と、前記混合気濃度の基準値を設定
する基準濃度設定手段と、前記ガス流速計測手段で計測
されたガス流速と前記基準値との偏差に応じて点火時期
を修正する第１の点火時期修正手段と、前記混合気濃度
計測手段で計測された混合気濃度と前記基準値との偏差
に応じて点火時期を修正する第２の点火時期修正手段
と、を含んで構成される。

【００１７】かかる構成によると、筒内におけるガス流
速及び混合気濃度をそれぞれ計測し、これらの計測結果
とそれぞれの基準値との偏差に基づいて点火時期を修正
し、そのときにガス流速・濃度に見合った点火時期に制
御する。また、請求項９記載に発明に係る筒内状態制御
装置は、機関の筒内におけるガス流速を計測するガス流
速計測手段と、機関の筒内で混合気濃度を計測する混合
気濃度計測手段と、前記ガス流速の基準値を設定する基
準流速設定手段と、前記混合気濃度の基準値を設定する
基準濃度設定手段と、前記ガス流速を制御するガス流動
制御弁と、前記ガス流速計測手段で計測されたガス流速
と前記基準値との偏差に応じて前記ガス流動制御弁をフ
ィードバック制御するガス流速制御手段と、機関に燃料
を噴射する燃料噴射弁と、前記混合気濃度計測手段で計
測された混合気濃度と前記基準値との偏差に応じて前記
燃料噴射弁による燃料噴射量をフィードバック制御する
混合気濃度制御手段と、を含んで構成される。

【００１８】かかる構成によると、筒内におけるガス流
速及び混合気濃度をそれぞれ計測し、これらの計測結果
とそれぞれの基準値との偏差に基づいてガス流動制御弁
・燃料噴射量をフィードバック制御することで、要求値
である基準流速値・基準濃度値が実際に得られるように
する。請求項１０記載の発明では、前記ガス流速と前記
基準値との偏差が閾値以上になったときに、エラー信号
を出力する第１のエラー信号出力手段と、前記混合気濃
度と前記基準値との偏差が閾値以上になったときに、エ
ラー信号を出力する第２のエラー信号出力手段と、を設
ける構成とした。

【００１９】かかる構成によると、ガス流速の計測結果
と基準値との偏差、及び／又は、混合気濃度の計測結果
と基準値との偏差が、閾値以上になると、通常のばらつ
き範囲を超えて流速・濃度が変化していると判断して、
エラー信号（故障信号）を出力する。請求項１１記載の
発明では、前記ガス流速計測手段及び混合気濃度計測手
段が、請求項１〜７のいずれか１つに記載されたレーザ
ドップラ流速計及び濃度計によってそれぞれ構成される
ものとした。

【００２０】かかる構成によると、光学系の少なくとも
一部を共用させて一体化されるレーザドップラ流速計と
濃度計とを用いて、筒内におけるガス流速及び混合気濃
度を計測し、点火時期又はガス流動制御弁・燃料噴射量
を制御する。

【００２１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によると、レーザド
ップラ流速計と混合気濃度を計測する濃度計とで光学系
の一部を共用させることで、コンパクトに一体化するこ
とができ、筒内におけるガス流動及び混合気濃度を同時
に計測させることが可能になるという効果がある。

【００２２】請求項２記載の発明によると、レーザドッ
プラ流速計と混合気濃度を計測する濃度計とで光学系の
一部を共用させることで、両者を点火プラグに内蔵させ
ることができ、点火プラグ周りのガス流動及び混合気濃
度を同時に計測させることが可能になると共に、両者を
点火プラグに内蔵させることにより、機関に別途の計測
装置を取り付ける必要がなくなり、また、そのため取り
付け孔を機関に設けることも不要となるという効果があ
る。

【００２３】請求項３記載の発明によると、点火プラグ
の側方電極でレーザ光を反射させることで、濃度測定用
のレーザ光を簡便な構成で電極付近の空間に通過させる
ことができるという効果がある。請求項４記載の発明に
よると、レーザドップラ流速計と混合気濃度を計測する
濃度計とでレンズを共用することで、個別にレンズを備
える場合に比べてコンパクトに一体化することができる
という効果がある。

【００２４】請求項５記載の発明によると、例えば、レ
ーザドップラ流速計において筒内の測定空間に収束させ
る２本のレーザ光を導くファイバーを用いて、濃度計に
おいて筒内に出射させるレーザ光及び燃焼室を通過した
後のレーザ光を導くことで、個別にファイバーを備える
場合に比べてコンパクトに一体化することができるとい
う効果がある。

【００２５】請求項６記載の発明によると、マルチプレ
クサを用いることで、レーザドップラ流速計において測
定空間に収束させるレーザ光と、濃度計において筒内に
出射させるレーザ光とを、同じファイバーに入射させて
筒内に導くことができるという効果がある。請求項７記
載の発明によると、ハーフミラーを用いることで、レー
ザドップラ流速計用のレーザ光のファイバーへの入射
と、同じファイバーからの濃度計用のレーザ光の取り出
しとを分離して行わせることができ、ファイバーを共用
して両計測計をコンパクトに一体化することができると
いう効果がある。

【００２６】請求項８記載の発明によると、筒内におけ
るガス流速と混合気濃度との双方に適合する点火時期に
制御することができ、機関の個体ばらつきや劣化があっ
ても、高い燃焼性を維持できるという効果がある。請求
項９記載の発明によると、機関の個体ばらつきや劣化が
あっても、筒内におけるガス流速及び混合気濃度を最適
に維持して、高い燃焼性を発揮させることができるとい
う効果がある。

【００２７】請求項１０記載の発明によると、ガス流速
及び混合気濃度の大きな変化を警告して、劣化部品の点
検・交換を促すことが可能になるという効果がある。請
求項１１記載の発明によると、筒内におけるガス流速と
混合気濃度とを、コンパクトにまとめられた計測装置に
よって同時に計測させることができ、ガス流速と混合気
濃度の計測結果に基づく点火時期，ガス流動制御弁，燃
料噴射量の制御を、簡便な構成で行わせることができる
という効果がある。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。図１は、本発明に係る筒内状態計測
装置を備えた内燃機関を示す。この図１に示す内燃機関
１は、シリンダヘッド２に吸気ポート３及び排気ポート
４が形成され、吸気ポート３には、筒内におけるガス旋
回流（タンブル流又はスワール流）を制御するためのガ
ス流動制御弁５が介装される。

【００２９】燃料噴射弁６は、吸気ポート３側のシリン
ダヘッド２に設けられ、筒内に直接燃料を噴射する。ペ
ントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッド２の中
央には、点火プラグ７が配設される。この点火プラグ７
には、該点火プラグ７の電極付近におけるガス流速を計
測するレーザドップラ流速計（ガス流速計測手段）、及
び、前記電極付近を通過するレーザ光の減衰から混合気
濃度を計測する濃度計（混合気濃度計測手段）の光学部
分が一体的に内蔵されている。

【００３０】前記レーザドップラ流速計ＬＤＶは、レー
ザ光源から出射された２本のレーザビームをレンズによ
って測定領域に収束させ、該測定領域に生じる干渉縞内
を粒子が通過する際に発生する散乱光をレンズで集光し
て光電変換器で電気信号に変換し、該光電変換器が出力
するドップラ・バースト信号を信号処理して前記粒子の
速度を測定するものである。

【００３１】通常のレーザドップラ流速計ＬＤＶでは、
被観測物としてトレーサ粒子を入れるが、内燃機関にお
いて燃焼室のガス内に異物を混入させると、燃焼悪化や
ピストンスカッフの原因となるため、燃料噴霧の液滴を
トレーサ代わりに使用して、筒内のガス流速を計測させ
る。また、前記濃度計は、使用するガソリン燃料が吸収
する波長のレーザ光（例えば波長が赤外光領域に含まれ
る3.39μｍのレーザ光）を混合気雰囲気中に通過させる
と、混合気濃度に応じた減衰を生じることから、通過後
のレーザ光の強度から混合気濃度を計測するものであ
る。

【００３２】前記点火プラグ７において、中心電極７ａ
及び側方電極７ｃは、図２又は図３に示すように配置さ
れ、側方電極７ｃは取付け部７ｂの中心に交差するよう
に配置されるが、中心電極７ａは点火プラグ７の取付け
部７ｂの中心から偏心して設けられる。ここで、筒状の
ケース１１は、取付け部７ｂと同軸に設けられるから、
点火プラグ７内に、周辺に中心電極７が軸方向に沿って
貫通する円筒状の空間部が形成される。

【００３３】そして、前記円筒状空間部の基端側には、
中心に第１フェルール１２が配置され、該第１フェルー
ル１２を中心とする同心円上に第２，第３フェルール１
３，１４を、第１フェルール１２を挟んで対向させて配
置してある。前記フェルール１２〜１４には、それぞれ
外部から延設されるファイバー１５〜１７が接続され
る。

【００３４】前記フェルール１２〜１４よりもプラグ先
端側には、集光レンズ１８が中心電極７ａを貫通させて
配置され、更に、該集光レンズ１８よりもプラグ先端側
には、フロントレンズ１９が中心電極７ａを貫通させて
配置される。前記集光レンズ１８には、前記第２，第３
フェルール１３，１４から出射され、ケース１１の軸に
平行にプラグ先端に向けて進むレーザ光を通過させる貫
通孔１８ａ，１８ｂが開口されている。

【００３５】前記第２フェルール１３に一端が接続され
るファイバー１６の他端には、第４フェルール２８が接
続され、該第４フェルール２８を介してＬＤＶ用レーザ
光がファイバー１６に入射され、前記第３フェルール１
４に一端が接続されるファイバー１７にも、ＬＤＶ用レ
ーザ光が入射される。前記ファイバー１６，１７に入射
したＬＤＶ用レーザ光は、集光レンズ１８の貫通孔１８
ａ，１８ｂ内を通過して、フロントレンズ１９に至り、
該フロントレンズ１９で光路が曲げられることで、点火
プラグ７の側方電極７ｃ内方の測定領域に照射され、該
測定領域に干渉縞を発生させる。

【００３６】前記測定領域に生じる干渉縞内を燃料液滴
が通過する際に発生する散乱光が、フロントレンズ１９
及び集光レンズ１８を介して前記第１フェルール１２に
入射し、該第１フェルール１２に接続されたファイバー
１５を介して、ＬＤＶ用の光電変換器２２に導かれる。
前記ＬＤＶ用の光電変換器２２は、前記散乱光を電気信
号に変換し、該電気信号をコントロールユニット３１に
出力する。

【００３７】コントロールユニット３１は、該光電変換
器２２が出力するドップラ・バースト信号を信号処理し
て、前記測定領域における燃料液滴の速度、即ち、混合
気ガスの流速を算出する。尚、符号２３は、点火プラグ
７の先端部に設けられた観測用窓に嵌め込まれたカバー
レンズである。

【００３８】上記の構成によってレーザドップラ流速計
ＬＤＶの光学部が点火プラグ７内に一体的に内蔵される
が、本実施形態では、上記レーザドップラ流速計ＬＤＶ
の光学部を構成するファイバー１５〜１７及びフロント
レンズ１９を流用して濃度計を構成するようにしてあ
る。前記ファイバー１７にマルチプレクサ２０を介して
レーザを入射させるよう構成することで、前記ＬＤＶ用
レーザ光と共に濃度測定用（吸収法用）のレーザ光を前
記ファイバー１７に入射させるようにしてある。

【００３９】前記ファイバー１７に入射した濃度測定用
（吸収法用）のレーザ光は、集光レンズ１８の貫通孔１
８ｂ内を通過してフロントレンズ１９に至り、該フロン
トレンズ１９で光路が曲げられることで、側方電極７ｃ
の内側の面に照射される。前記側方電極７ｃの内側の面
は鏡面仕上げされており、側方電極７ｃに照射された濃
度測定用（吸収法用）のレーザ光は反射して再度フロン
トレンズ１９に入射し、集光レンズ１８の貫通孔１８ａ
内を通過して、前記第２フェルール１３を介してファイ
バー１６に入射する。

【００４０】前記ファイバー１６の端部に介装される第
４フェルール２８の入出光路の途中には、ハーフミラー
２１を介装させてあり、第４フェルール２８に向けて直
進するＬＤＶ用レーザ光は、前記ハーフミラー２１をそ
のまま通過してファイバー１６に入射する。しかし、逆
に、ファイバー１６から出射される濃度測定用（吸収法
用）のレーザ光は、前記ハーフミラー２１で反射し、濃
度測定用の光電変換器２４に入射する。

【００４１】前記濃度測定用の光電変換器２４からの電
気信号を入力するコントロールユニット３１では、燃焼
室内を通過してきた濃度測定用（吸収法用）のレーザ光
の強度を検出することで、燃焼室を通過したときのレー
ザ光の減衰を求め、予め設定された減衰率と濃度との相
関に基づいて、点火プラグ７の電極付近における混合気
濃度を判定する。

【００４２】上記のように、レーザドップラ流速計ＬＤ
Ｖと濃度計とで、ファイバー１５〜１７及びフロントレ
ンズ１９を共用する構成であれば、それぞれ個別のファ
イバー，レンズを用いる構成とする場合に比べ、点火プ
ラグ７に対してコンパクトにレーザドップラ流速計ＬＤ
Ｖ及び濃度計の光学部を内蔵させることができ、点火プ
ラグ７近傍におけるガス流速と混合気濃度とを同時に計
測することができる。

【００４３】とこで、上記実施形態では、ファイバー１
５〜１７及びフロントレンズ１９を共用させる構成とし
たが、フロントレンズ１９のみを共用させる構成とする
ことができる。図４は、フロントレンズ１９のみを共用
させる構成とした場合を示し、前記ファイバー１５〜１
７の他に、濃度測定用（吸収法用）のレーザ光をフロン
トレンズ１９を介して燃焼室内に入射させるためのファ
イバー２５と、燃焼室内を通過した濃度測定用（吸収法
用）のレーザ光を光電変換器２４に導くためのファイバ
ー２６とを個別に備えるようにする。

【００４４】また、レーザドップラ流速計ＬＤＶにおい
て測定領域に収束させる２本のレーザビームの経路と、
前記濃度測定用（吸収法用）のレーザ光の入出射経路と
を異ならせるため、前記集光レンズ１８に、ＬＤＶ用レ
ーザ光を通過させる貫通孔１８ａ，１８ｂと共に、濃度
測定用（吸収法用）のレーザ光を通過させる貫通孔１８
ｃ，１８ｄを開口させる。

【００４５】上記構成によると、使用するファイバーの
数は増えるものの、マルチプレクサ２０及びハーフミラ
ー２１が不要となる。上記のようにして点火プラグ７に
一体的に内蔵されるレーザドップラ流速計及び濃度計そ
れぞれの計測結果に基づき、前記コントロールユニッ３
１が、前記燃料噴射弁６による燃料噴射量、ガス流動制
御弁５の開度，点火プラグ７による点火時期を制御する
ようになっており、以下では、筒内状態制御装置として
の機能を有するコントロールユニット３１における制御
の詳細を説明する。

【００４６】図５のフローチャートは、ガス流速及び混
合気濃度の測定結果に基づく、前記燃料噴射弁６におけ
る燃料噴射量の制御、及び、ガス流動制御弁５の開度の
制御を示す。図５のフローチャートにおいて、ステップ
Ｓ１では、点火直前でのガス流速及び混合気濃度の測定
結果を読み込む。

【００４７】ステップＳ２（基準流速設定手段，基準濃
度設定手段）では、ガス流速の基準値及び混合気濃度の
基準値を設定する。前記ガス流速及び混合気濃度は、図
６又は図７に示すように、機関負荷・回転によって要求
が変化するので、前記ガス流速の基準値及び混合気濃度
の基準値は、それぞれそのときの機関負荷及び回転速度
に応じて設定される。

【００４８】ステップＳ３では、実際のガス流速と前記
基準値との偏差の絶対値が、ガス流速閾値（１）以上で
あるか否かを判別する。前記偏差の絶対値がガス流速閾
値（１）以上である場合には、ステップＳ４へ進み、エ
ラー表示を例えば車両の操作パネルに設けた警告灯など
によって行う（第１のエラー信号出力手段）。

【００４９】実際のガス流速と前記基準値との偏差の絶
対値がガス流速閾値（１）以上であるときには、ガス流
動制御弁５や吸気バルブに対する付着物の堆積等が、整
備が必要なほど進行しているため、大きくガス流速が変
化（減少）したものと推定されるので、エラー表示によ
って整備・点検を促す。ステップＳ５では、前記偏差の
絶対値がガス流速閾値（２）（＜閾値（１））以上であ
るか否かを判別することで、ガス流動制御弁５の補正制
御の必要性を判断する。

【００５０】前記偏差の絶対値がガス流速閾値（２）未
満であれば、基準値に対するずれがあるとしても、許容
範囲内であると判断して、ガス流動制御弁５の開度の補
正は行なわない。一方、前記偏差の絶対値がガス流速閾
値（２）以上である場合には、燃焼性を維持するにはガ
ス流速を補正して基準値に近づける必要があると判断
し、ステップＳ６（ガス流速制御手段）へ進む。

【００５１】ステップＳ６では、前記レーザドップラ流
速計ＬＤＶによる測定結果が、前記基準値に近づくよう
に、ガス流動制御弁５の開度をフィードバック制御す
る。前記ガス流動制御弁５は、例えばモータ等のアクチ
ュエータ２９によって開閉駆動される構成であり、前記
アクチュエータへの駆動制御信号をフィードバック制御
することで、実際のガス流速が基準値に近づくようにす
る。

【００５２】ステップＳ７では、実際の混合気濃度と前
記基準値との偏差の絶対値が、濃度閾値（１）以上であ
るか否かを判別する。前記偏差の絶対値が濃度閾値
（１）以上である場合には、ステップＳ８へ進み、エラ
ー表示をステップＳ４と同様に行う（第２のエラー信号
出力手段）。実際の混合気濃度と前記基準値との偏差の
絶対値が濃度閾値（１）以上であるときには、ガス流動
（流速）の経時変化や燃料噴射弁６の噴射特性の経時変
化などが、整備が必要なほど進行したため、点火プラグ
７近傍に点火直前に形成される混合気の濃度が大きく変
化したものと推定されるので、エラー表示によって整備
・点検を促す。

【００５３】ステップＳ９では、前記偏差の絶対値が濃
度閾値（２）（＜閾値（１））以上であるか否かを判別
することで、燃料噴射量の補正の必要性を判断する。前
記偏差の絶対値が濃度閾値（２）未満であれば、基準値
に対するずれがあるとしても、許容範囲内であると判断
して、燃料噴射量の補正は行なわない。一方、前記偏差
の絶対値が濃度閾値（２）以上である場合には、着火燃
焼性を維持するには燃料噴射量を補正して実際の混合気
濃度を基準値に近づける必要があると判断し、ステップ
Ｓ１０（混合気濃度制御手段）へ進む。

【００５４】ステップＳ１０では、前記濃度計による測
定結果が、前記基準値に近づくように、燃料噴射弁６に
よる燃料噴射量をフィードバック制御する。尚、燃料噴
射弁６による燃料噴射を圧縮行程で行わせ、点火プラグ
７近傍に燃料を集中させる場合には、噴射タイミングの
フィードバック補正によっても、点火プラグ７の近傍に
形成される混合気の濃度を補正できる。

【００５５】上記のように、点火プラグ７近傍における
ガス流速及び混合気濃度を、それぞれ基準値に近づける
ように、ガス流動制御弁５の開度及び燃料噴射弁６によ
る燃料噴射量をフィードバック制御すれば、経時変化や
ばらつきに影響されることなく、高い燃焼性を維持する
ことができる。また、ガス流速及び混合気濃度の計測結
果に基づく点火時期の補正制御を、図８のフローチャー
トに従って説明する。

【００５６】ステップＳ２１では、点火直前でのガス流
速及び混合気濃度の測定結果を読み込む。ステップＳ２
２では、そのときの機関負荷及び回転速度に応じてガス
流速の基準値及び混合気濃度の基準値を設定する。ステ
ップＳ２３では、実際のガス流速と前記基準値との偏差
の絶対値が、ガス流速閾値（１）以上であるか否かを判
別する。

【００５７】前記偏差の絶対値がガス流速閾値（１）以
上である場合には、ステップＳ２４へ進み、エラー表示
を行う（第１のエラー信号出力手段）。ステップＳ２５
では、実際の混合気濃度と前記基準値との偏差の絶対値
が、濃度閾値（１）以上であるか否かを判別する。前記
偏差の絶対値が濃度閾値（１）以上である場合には、ス
テップＳ２６へ進み、エラー表示を行う（第２のエラー
信号出力手段）。

【００５８】ステップＳ２７では、ガス流速の偏差の絶
対値がガス流速閾値（２）（＜閾値（１））以上である
か否かを判別することで、点火時期補正の必要性を判断
する。前記ガス流速の偏差の絶対値がガス流速閾値
（２）未満であれば、基準値に対するずれがあるとして
も、許容範囲内であると判断して、点火時期の補正は行
なわない。

【００５９】一方、前記ガス流速の偏差の絶対値がガス
流速閾値（２）以上である場合には、燃焼性を維持する
には点火時期を補正する必要があると判断し、ステップ
Ｓ２８（第１の点火時期修正手段）へ進む。ステップＳ
２８では、図９に示すように、実際のガス流速が基準値
に対して遅い場合には、遅くなるほどより大きく点火時
期を進角補正する点火時期補正値を設定し、逆に、実際
のガス流速が基準値に対して速い場合には、速くなるほ
どより大きく点火時期を遅角補正する点火時期補正値を
設定する。

【００６０】これは、図１０に示すように、ガス流速の
低下に対して燃焼速度が低下するためであり、燃焼速度
の低下に対して点火時期を進角補正する。また、ステッ
プＳ２９では、前記濃度の偏差の絶対値が濃度閾値
（２）（＜閾値（１））以上であるか否かを判別するこ
とで、点火時期補正の必要性を判断する。

【００６１】前記濃度の偏差の絶対値が濃度閾値（２）
未満であれば、基準値に対するずれがあるとしても、許
容範囲内であると判断して、点火時期の補正は行なわな
い。一方、前記濃度の偏差の絶対値が濃度閾値（２）以
上である場合には、燃焼性を維持するには点火時期を補
正する必要があると判断し、ステップＳ３０（第２の点
火時期修正手段）へ進む。

【００６２】ステップＳ３０では、図１１に示すよう
に、実際の濃度が基準値よりも濃い場合には、濃くなる
ほどより大きく点火時期を遅角補正する点火時期補正値
を設定し、逆に、実際の濃度が基準値よりも薄い場合に
は、薄くなるほどより大きく点火時期を進角補正する点
火時期補正値を設定する。これは、図１２に示すよう
に、点火プラグ周辺の混合気濃度が薄くなると、燃焼速
度が低下するためであり、混合気濃度の低下に伴う燃焼
速度の低下に対して点火時期を進角補正する。

【００６３】ステップＳ３１では、前述のように、ガス
流速に基づき設定された点火時期補正値と、混合気濃度
に基づいて設定された点火時期補正値とを加算して、最
終的な点火時期補正値を設定する。そして、前記最終的
な点火時期補正値によって、機関負荷・回転に基づき設
定される基本点火時期を補正する。

【００６４】上記点火時期の補正により、ガス流速の低
下、混合気濃度の低下による燃焼速度の低下に対して、
点火時期を進角させて燃焼性を維持させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る筒内状態計測装置を備えた内燃機
関のシステム構成図。

【図２】前記筒内状態計測装置を一体的に備える点火プ
ラグにおける電極配置を示す図。

【図３】前記筒内状態計測装置を一体的に備える点火プ
ラグにおける電極配置の他の例を示す図。

【図４】前記筒内状態計測装置の別の実施形態を示す
図。

【図５】ガス流速及び混合気濃度に基づくガス流動制御
弁及び燃料噴射量の制御を示すフローチャート。

【図６】機関負荷・回転とガス流速要求との相関を示す
図。

【図７】機関負荷・回転と混合気濃度要求との相関を示
す図。

【図８】ガス流速及び混合気濃度に基づく点火時期の制
御を示すフローチャート。

【図９】ガス流速の変化に対する点火時期補正値の特性
を示す線図。

【図１０】ガス流速と燃焼速度との相関を示す線図。

【図１１】混合気濃度の変化に対する点火時期補正値の
特性を示す線図。

【図１２】混合気濃度と燃焼速度との相関を示す線図。

【符号の説明】

１…内燃機関 ２…シリンダヘッド ３…吸気ポート ４…排気ポート ５…ガス流動制御弁 ６…燃料噴射弁 ７…点火プラグ １１…ケース １５〜１７…ファイバー １８…集光レンズ １８ａ，１８ｂ…貫通孔 １９…フロントレンズ ２０…マルチプレクサ ２１…ハーフミラー ２２，２４…光電変換器 ３１…コントロールユニット

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６０ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３６０Ｚ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０３Ｚ 13/00 ３０３ 5/15 Ｂ Ｋ Ｆターム(参考） 3G019 AB01 AB02 AC03 AC08 DB07 KA21 3G022 AA08 CA03 CA09 EA08 FA02 FA04 3G084 BA09 BA13 BA17 BA21 BA33 CA03 CA04 DA13 DA27 DA30 DA33 EA04 EA11 EB06 EB12 EC01 EC03 FA00 FA26 3G301 HA01 HA04 HA17 JA20 JB09 JB10 KA06 KA23 LA05 LB04 LC03 MA01 MA11 NA06 NA08 NB03 NC04 ND02 NE01 NE06 NE11 NE12 NE17 PA00A PA00Z PE01Z

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の筒内におけるガス流速を計測するレ
   ーザドップラ流速計と、 機関の筒内を通過するレーザ光の減衰から混合気濃度を
   計測する濃度計とを、光学系の少なくとも一部を共用さ
   せて一体化したことを特徴とする内燃機関の筒内状態計
   測装置。
2. 【請求項２】前記レーザドップラ流速計と濃度計とを、
   光学系の少なくとも一部を共用させて点火プラグに内蔵
   したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の筒内状
   態計測装置。
3. 【請求項３】前記濃度計用として筒内に入光したレーザ
   光を、点火プラグの側方電極で反射させて点火プラグ側
   に戻すことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の筒内
   状態計測装置。
4. 【請求項４】前記レーザドップラ流速計と濃度計とで、
   レンズを共用することを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか１つに記載の内燃機関の筒内状態計測装置。
5. 【請求項５】前記レーザドップラ流速計と濃度計とで、
   レーザ光の入出力経路を構成するファイバーを共用する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の
   内燃機関の筒内状態計測装置。
6. 【請求項６】前記レーザドップラ流速計用として筒内に
   入光させるレーザ光と、前記濃度計用として筒内に入光
   させるレーザ光とを、マルチプレクサを用いて共用する
   ファイバーに入射させることを特徴とする請求項５記載
   の内燃機関の筒内状態計測装置。
7. 【請求項７】前記レーザドップラ流速計用のレーザ光を
   筒内に入光させるためのファイバーによって、筒内を通
   過した前記濃度計用のレーザ光を導出させる構成とし、
   かつ、ハーフミラーによって入光側と導出側との経路を
   分離することを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃
   機関の筒内状態計測装置。
8. 【請求項８】機関の筒内におけるガス流速を計測するガ
   ス流速計測手段と、 機関の筒内で混合気濃度を計測する混合気濃度計測手段
   と、 前記ガス流速の基準値を設定する基準流速設定手段と、 前記混合気濃度の基準値を設定する基準濃度設定手段
   と、 前記ガス流速計測手段で計測されたガス流速と前記基準
   値との偏差に応じて点火時期を修正する第１の点火時期
   修正手段と、 前記混合気濃度計測手段で計測された混合気濃度と前記
   基準値との偏差に応じて点火時期を修正する第２の点火
   時期修正手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の筒内状
   態制御装置。
9. 【請求項９】機関の筒内におけるガス流速を計測するガ
   ス流速計測手段と、 機関の筒内で混合気濃度を計測する混合気濃度計測手段
   と、 前記ガス流速の基準値を設定する基準流速設定手段と、 前記混合気濃度の基準値を設定する基準濃度設定手段
   と、 前記ガス流速を制御するガス流動制御弁と、 前記ガス流速計測手段で計測されたガス流速と前記基準
   値との偏差に応じて前記ガス流動制御弁をフィードバッ
   ク制御するガス流速制御手段と、 機関に燃料を噴射する燃料噴射弁と、 前記混合気濃度計測手段で計測された混合気濃度と前記
   基準値との偏差に応じて前記燃料噴射弁による燃料噴射
   量をフィードバック制御する混合気濃度制御手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の筒内状
   態制御装置。
10. 【請求項１０】前記ガス流速と前記基準値との偏差が閾
    値以上になったときに、エラー信号を出力する第１のエ
    ラー信号出力手段と、 前記混合気濃度と前記基準値との偏差が閾値以上になっ
    たときに、エラー信号を出力する第２のエラー信号出力
    手段と、 を設けたことを特徴とする請求項８又は９に記載の内燃
    機関の筒内状態制御装置。
11. 【請求項１１】前記ガス流速計測手段及び混合気濃度計
    測手段が、請求項１〜７のいずれか１つに記載されたレ
    ーザドップラ流速計及び濃度計によってそれぞれ構成さ
    れることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに
    記載の内燃機関の筒内状態制御装置。