JP2006145268A - 空燃比検出装置、それを備えるエンジンおよびそれらを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの高速回転時および過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することが可能な空燃比検出装置、それを備えるエンジンおよびそれらを備える車両を提供する。
【解決手段】空燃比検出装置は、光源３０、音響光学変調器３１、シャッタドライバ３１ａ、光強度検出器３２、光ファイバケーブル３３、点火プラグ１０、筒内圧力センサ１０ａ、ロータリエンコーダ１０ｂ、燃焼解析装置３００および表示設定装置３１０により構成される。光源３０からの入射光が音響光学変調器３１に入射する。シャッタドライバ３１ａにより音響光学変調器３１の圧電素子が駆動された場合には、１次回折光が出射され、点火プラグ１０を通して燃焼室内の混合ガスに向けて照射される。シャッタドライバ３１ａにより圧電素子が駆動されない場合には、入射光は回折されないので１次回折光は出射されない。すなわち、燃焼室内の混合ガスに向けて出射される光は存在しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室の空燃比を検出する空燃比検出装置、それを備えるエンジンおよびそれらを備える車両に関する。

従来より、エンジンの燃焼室の空燃比を得るための空燃比検出装置が提案されている（例えば、特許文献１、２および３参照）。

上記の空燃比検出装置においては、光源から赤外光等の光が燃焼室内の混合ガスに向けて照射される。そして、混合ガスを透過した光が検出される。

光源からの光の強度および混合ガスを透過した光の強度を公知の算出式に用いることによって、燃焼室の混合ガス濃度が算出される。この混合ガス濃度を用いることにより、混合ガス濃度に対する空気密度の比率により示される空燃比が算出される。なお、光源からの光の強度および混合ガスを透過した光の強度は、光強度検出器により検出される。

光源からの光は、機械式のチョッパ（電子シャッタ）により断続的に燃焼室の混合ガスに向けて照射される（以下、この動作をシャッタリングと呼ぶ）。それにより、サイクルごとに燃焼室内の混合ガスの空燃比が検出される。

上記の空燃比検出装置により得られた空燃比に基づいて、燃料噴射時期、燃料噴射量および点火時期が制御される。
特開平６−２８８２８３号公報 特開平１１−５１８６６号公報 特開２００２−３４０８００号公報

しかしながら、上記従来の空燃比検出装置においては、例えばモータサイクル用エンジンおよび競技用エンジンのように最大回転速度が大きい場合には、高速回転時に、シャッタリングの動作がエンジンの回転に追従することができない。その結果、正確な空燃比を得ることができない。

また、通常のエンジンにおいても回転速度が大きく変化する過渡時ではシャッタリングのタイミングに遅れが生じる。

本発明の目的は、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することが可能な空燃比検出装置、それを備えるエンジンおよびそれらを備える車両を提供することである。

第１の発明に係る空燃比検出装置は、エンジンの燃焼室内の混合ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置であって、光を発生する光源と、電気信号に応答して光源により発生された光を燃焼室内に導く第１の状態と光源により発生された光を燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替え可能な光学素子と、燃焼室内から導出される帰還光を検出する光検出器と、光学素子が第１の状態にあるときの光検出器の出力信号および光学素子が第２の状態にあるときの光検出器の出力信号に基づいて燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出する算出手段とを備えたものである。

本発明に係る空燃比検出装置においては、電気信号に応答して光学素子が光源により発生された光を燃焼室内に導く第１の状態と光源により発生された光を燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替えられる。燃焼室内から導出される帰還光は光検出器により検出される。

光学素子が第２の状態にあるときには燃焼室内に光が導かれておらず、光学素子が第１の状態にあるときには燃焼室内に光が導かれている。したがって、光学素子が第２の状態にあるときの光検出器の出力信号を基準レベルとして用いることにより、光学素子が第１の状態にあるときの帰還光の光強度を正確に検出することができる。その結果、光検出器の特性が変化する場合でも、燃焼室内の混合ガスの空燃比を正確に検出することができる。

また、光学素子は、高速に第１の状態および第２の状態に切り替わることができるので、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも、光学素子がエンジンの回転に追従して第１の状態および第２の状態に切り替わることができる。したがって、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。

さらに、光学素子は、機械式のチョッパに比べて高い耐久性を有するので、空燃比検出装置の耐久性が著しく向上する。

光学素子は、電気信号からなる駆動信号に応答して第１の状態および第２の状態に切り替え可能な音響光学素子であってもよい。

この場合、音響光学素子は、駆動信号に応答してより高速に第１の状態および第２の状態に切り替わることができる。したがって、エンジンのより高速回転時および回転数のより急激な変化にも、燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。

光学素子が第１の状態にあるときの光検出器の出力信号は、光学素子が第１の状態にありかつ燃焼室内に混合ガスが導入されていない第１のタイミングでの光検出器の出力信号および光学素子が第１の状態にありかつ燃焼室内に混合ガスが導入されている第２のタイミングでの光検出器の出力信号を含み、算出手段は、光学素子が第１の状態にあるときの光検出器の出力信号、第１のタイミングでの光検出器の出力信号および第２のタイミングでの光検出器の出力信号に基づいて燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出してもよい。

この場合、第１のタイミングでは、燃焼室内に混合ガスが導入されず、燃焼室内には燃焼ガスまたは空気が存在する。第２のタイミングでは、燃焼室内に混合ガスが導入されており、燃焼室内には燃料および空気が存在する。したがって、第１のタイミングでの光検出器の出力信号および第２のタイミングでの光検出器の出力信号に基づいて空燃比を正確に算出することができる。

また、光学素子が第２の状態にあるときの光検出器の出力信号をオフセット値として用いることにより、光検出器の特性が変化する場合でも、第１のタイミングでの光検出器の出力信号および第２のタイミングでの光検出器の出力信号に基づいて燃焼室内の混合ガスの空燃比をより正確に検出することができる。

空燃比検出装置は、エンジンの回転に連動するタイミングを検出するタイミング検出手段と、タイミング検出手段の出力信号に応答して光学素子を第１の状態および第２の状態に切り替える切り替え手段とをさらに備えてもよい。

この場合、エンジンの回転に連動するタイミングがタイミング検出手段により検出され、タイミング検出手段の出力信号に応答して切り替え手段により光学素子が第１の状態および第２の状態に切り替えられる。それにより、エンジンのサイクルごとに光学素子を第１の状態および第２の状態に切り替えることができる。したがって、エンジンのサイクルごとに光検出器の出力信号の基準レベルを調整することができる。その結果、燃焼室内の混合ガスの空燃比をより正確に検出することができる。

空燃比検出装置は、算出手段による空燃比の算出条件および切り替え手段による光学素子の切り替え条件のうち少なくとも１つに関するパラメータを設定する設定手段をさらに備え、算出手段または切り替え手段は、設定手段により設定されたパラメータに基づいて動作してもよい。

この場合、設定手段を用いて算出手段による空燃比の算出条件および切り替え手段による光学素子の切り替え制御条件のうち少なくとも１つに関するパラメータを設定することができる。算出手段または切り替え手段は、設定されたパラメータに基づいて動作する。したがって、種々の条件でエンジンの燃焼室内の空燃比を検出することが可能となり、種々の条件でのエンジンの特性を評価することができる。

空燃比検出装置は、算出手段により算出された空燃比に関する情報を表示する表示手段をさらに備えてもよい。

この場合、空燃比に関する情報が表示手段により表示されるので、検出された空燃比に関する情報を容易に把握することができる。それにより、エンジンの特性の評価を容易に行うことができる。

表示手段は、空燃比に関する情報の時間的変化を視覚的に表示してもよい。この場合、空燃比に関する情報の時間的変化が表示手段により視覚的に表示されるので、検出された空燃比に関する情報の時間的変化を容易に把握することができる。それにより、エンジンの特性の時間的変化を容易に評価することができる。

第２の発明に係るエンジン装置は、燃焼室、点火プラグおよび燃料噴射装置を有するエンジンと、光を発生する光源と、電気信号に応答して光源により発生された光を燃焼室内に導く第１の状態と光源により発生された光を燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替え可能な光学素子と、燃焼室内から導出される帰還光を検出する光検出器と、エンジンの回転に連動するタイミングを検出するタイミング検出手段と、タイミング検出手段の出力信号に応答して光学素子を第１の状態および第２の状態に切り替える切り替え手段と、光学素子が第１の状態にあるときの光検出器の出力信号および光学素子が第２の状態にあるときの光検出器の出力信号に基づいて燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出する算出手段とを備えたものである。

本発明に係るエンジン装置においては、エンジンの回転に連動するタイミングがタイミング検出手段により検出される。タイミング検出手段の出力信号に応答して、光学素子が光源により発生された光を燃焼室内に導く第１の状態と光源により発生された光を燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替えられる。それにより、エンジンのサイクルごとに光学素子を第１の状態および第２の状態に切り替えることができる。

燃焼室内から導出される帰還光は光検出器により検出される。光学素子が第２の状態にあるときには燃焼室内に光が導かれておらず、光学素子が第１の状態にあるときには燃焼室内に光が導かれている。それにより、光学素子が第２の状態にあるときの光検出器の出力信号を基準レベルとして用いることにより、光学素子が第１の状態にあるときの帰還光の光強度を正確に検出することができる。その結果、光検出器の特性が変化する場合でも、燃焼室内の混合ガスの空燃比をより正確に検出することができる。

また、光学素子は、高速に第１の状態および第２の状態に切り替わることができるので、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも、光学素子がエンジンの回転に追従して第１の状態および第２の状態に切り替わることができる。したがって、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。

エンジン装置は、算出手段により算出された空燃比に基づいてエンジンの動作を制御する制御手段をさらに備えてもよい。

この場合、算出された空燃比に基づいて制御手段によりエンジンの動作が制御される。それにより、燃焼室内の空燃比の変動に応じてエンジンを最適な状態で動作させることができる。

制御手段は、算出手段により算出された空燃比に基づいて点火プラグを制御してもよい。

この場合、燃焼室内の空燃比の変動に応じて点火プラグの点火タイミングを最適に制御することができる。

制御手段は、算出手段により算出された空燃比に基づいて燃料噴射装置を制御してもよい。

この場合、燃焼室内の空燃比の変動に応じて燃料噴射装置の燃料噴射量を最適に制御することができる。

第３の発明に係る車両は、第２の発明に係るエンジン装置と、駆動輪と、エンジン装置により発生される動力を駆動輪に伝達する伝達機構とを備えたものである。

本発明に係る車両においては、エンジン装置により発生された動力が伝達機構により駆動輪に伝達される。この場合、第２の発明に係るエンジン装置が用いられているので、したがって、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。その結果、高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも最適な条件で走行可能な車両が実現される。

本発明によれば、光検出器の特性が変化する場合でも、燃焼室内の混合ガスの空燃比を正確に検出することができる。また、エンジンの高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。さらに、光学素子は、機械式のチョッパに比べて高い耐久性を有するので、空燃比検出装置の耐久性が著しく向上する。

以下、本発明の実施の形態に係る空燃比検出装置について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態では、車両の一例である自動二輪車のエンジンの空燃比を検出する空燃比検出装置について説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る空燃比検出装置を示す模式図である。本実施の形態に係る空燃比検出装置は、例えば、エンジンの試作段階または製造段階でエンジンの空燃比を評価するために用いられる。

図１に示す空燃比検出装置は、光源３０、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）３１、シャッタドライバ３１ａ、光強度検出器３２、光ファイバケーブル３３、点火プラグ１０、筒内圧力センサ１０ａ、ロータリエンコーダ１０ｂ、燃焼解析装置３００および表示設定装置３１０により構成される。

評価対象となるエンジン１の燃焼室に点火プラグ１０および筒内圧力センサ１０ａが取り付けられ、エンジン１のクランクシャフトにロータリエンコーダ１０ｂが取り付けられる。点火プラグ１０の構成については後述する。

光源３０は、赤外光を発生する赤外レーザ装置からなる。また、光ファイバケーブル３３は、入射光ファイバ３５および出射光ファイバ３６を含む。

光源３０から出射された光は、音響光学変調器３１を通過した後、入射光ファイバ３５内を伝送する。

入射光ファイバ３５内を伝送される光は点火プラグ１０内を通過し、燃焼室内の混合ガスに照射される。混合ガスを透過した光は、点火プラグ１０の先端に設けられた後述のミラー３９（図２）により反射され、出射光ファイバ３６に入射される。その後、出射光ファイバ３６内を伝送された光は、光強度検出器３２に入射される。

光強度検出器３２は、赤外光の強度を検出する赤外検出器からなる。音響光学変調器３１による後述のシャッタリングの動作はシャッタドライバ３１ａにより制御される。なお、音響光学変調器３１の構成およびシャッタリングの動作については後述する。また、音響光学変調器３１の代わりに、音響光学Ｑスイッチ等を用いてもよい。

燃焼解析装置３００は、マイクロコンピュータ、メモリおよび論理回路等からなり、筒内圧力センサ１０ａ、ロータリエンコーダ１０ｂおよび光強度検出器３２からの検出信号を受け、シャッタドライバ３１ａを制御する。また、表示設定装置３１０は、パーソナルコンピュータ、表示装置、入力装置等からなり、プログラムにしたがって光強度検出器３２の検出信号に基づいて空燃比を算出する。また、表示設定装置３１０は、算出された空燃比に関する各種表示および各種設定を行う。

図２は、図１の点火プラグ１０の構成を示す模式図である。なお、図２の一部は断面図となっている。

以下、点火プラグ１０の燃焼室側を先端側とし、燃焼室と逆側を後端側と呼ぶ。

図２に示すように、点火プラグ１０の軸方向の後端側から先端側に渡って貫通孔５１が形成されている。この貫通孔５１に光ファイバロッド３４が挿入されている。また、点火プラグ１０の後端部にはイグニッションケーブル２９が接続されている。

貫通孔５１の内周面には円筒状の導電体５２が形成されている。この導電体５２を介して点火プラグ１０の先端部に設けられた中心電極４１に電力が供給される。中心電極４１の側方に接地電極４２が設けられている。

貫通孔５１の先端部には、光ファイバロッド３４を熱負荷から保護するための透明のサファイヤロッド４３が設けられている。また、中心電極４１の側方には、耐熱性のブラケット５３が設けられている。ブラケット５３の先端部に、サファイヤロッド４３から所定の間隔をあけてミラー３９が設けられている。

ミラー３９およびブラケット５３は、ニッケル（Ｎｉ）とクロム（Ｃｒ）との合金からなり、十分な耐熱性を有する。合金からなるミラー３９は、高温に曝されてもほとんど曇ることはなく、溶融することもない。ミラー３９は、研削により十分な鏡面となった後に溶接によりブラケット５３に固着される。

一方、点火プラグ１０の後端部には、金属からなる連結部材５４が取り付けられている。この連結部材５４においても上記の貫通孔５１が設けられており、この貫通孔５１の後端部には雌ねじ（図示せず）が形成されている。

光ファイバロッド３４は、この連結部材５４の後端部から挿入される。光ファイバロッド３４に形成されている雄ねじ（図示せず）が上記の連結部材５４の雌ねじに螺合される。

光ファイバロッド３４とサファイヤロッド４３との間には空隙Ｓが形成されている。これは、光ファイバロッド３４を燃焼室の高温度雰囲気から保護するためである。

光ファイバロッド３４の先端部にはレンズ５５が設けられている。このレンズ５５の後方に入射光ファイバ３５および出射光ファイバ３６が略平行に設けられている。なお、レンズ５５は、入射光ファイバ３５から出射される光の広がり角度を調整するものであるが、低コスト化等のために特に必要のない場合には設けなくてもよい。

入射光ファイバ３５から出射された光は、空隙Ｓおよびサファイヤロッド４３を通過し、燃焼室内の混合ガスに照射される。その後、混合ガスを透過した光はミラー３９により反射される。反射された光は、再び混合ガスを透過し、サファイヤロッド４３および空隙Ｓを通過して出射光ファイバ３６に入射する。

本実施の形態では、図１の光源３０から出射される光として赤外光を用いている。赤外光は燃焼室内の混合ガスに含まれる炭化水素に吸収されるので、ミラー３９による反射光の強度を検出することにより、混合ガス中の炭化水素量、すなわち混合ガスの濃度が得られる。なお、赤外レーザ装置から出射される赤外光の代わりに、加熱された金属から発生される赤外光を用いてもよい。

図３は、図１の音響光学変調器３１の構成を示す説明図である。

図３に示すように、音響光学変調器３１は、音響光学媒体７１および圧電素子７２から構成される。

音響光学媒体７１は、例えばモリブデン酸鉛単結晶（ＰｂＭｏＯ₄ ）、二酸化テルル単結晶（ＴｅＯ₂ ）またはゲルマニウム単結晶（Ｇｅ）等からなる。

音響光学媒体７１に圧電素子７２を接触させ超音波を音響光学媒体７１中に発生させると、音響光学媒体７１の結晶中に歪みが発生する。この場合に、音響光学媒体７１に向けて光を入射させると、この入射した光が音響光学媒体７１で回折されて出射される。以下に、具体例を示して説明する。なお、圧電素子７２により音響光学媒体７１に与える振動数は、音響光学媒体７１の結晶の材質によって異なるが、例えば２０ＭＨｚ〜４００ＭＨｚである。

図３において、図１の光源３０からの入射光ＩＡ１が音響光学媒体７１に入射角度θで入射する。シャッタドライバ３１ａにより圧電素子７２が駆動された場合には、１次回折光ＩＢが出射される。シャッタドライバ３１ａにより圧電素子７２が駆動されない場合には、入射光ＩＡ１は回折されないので１次回折光ＩＢは出射されない。なお、本実施の形態においては、０次光ＩＡは、図３のマスク７３によりマスキングされている。

音響光学媒体７１が駆動された場合には、音響光学変調器３１から出射された１次回折光ＩＢは、点火プラグ１０を通して燃焼室内の混合ガスに向けて照射される。逆に、音響光学変調器３１が駆動されない場合には、燃焼室内の混合ガスに向けて出射される光は存在しない。

このような構成により、光源３０からの光を所望のタイミングで燃焼室内の混合ガスに向けて出射することができる。

以下、音響光学変調器３１を駆動することにより入射光ＩＡ１を１次回折光ＩＢとして音響光学変調器３１から出射する動作をシャッタリングオンの動作と呼び、音響光学変調器３１を駆動しないことにより入射光ＩＡ１を音響光学変調器３１により遮断する動作をシャッタリングオフの動作と呼ぶ。

次に、音響光学変調器３１から出射される１次回折光（以下、入射光と呼ぶ）ＩＢの強度（以下、入射光強度と呼ぶ）Ｉ０ならびに燃焼室内の混合ガスを透過した光（以下、透過光と呼ぶ）の強度（以下、透過光強度と呼ぶ）Ｉｔを得ることにより燃焼室内の混合ガス濃度を算出する方法と、算出された燃焼室内の混合ガス濃度を用いて空燃比を算出する方法とを説明する。なお、入射光強度Ｉ０とは、燃焼室内に混合ガスが存在しないときの入射光ＩＢの強度である。

最初に、説明を容易化するために、後述の方法により得られる入射光強度Ｉ０および透過光強度Ｉｔを用いて燃焼室内の混合ガス濃度を算出し、算出された混合ガス濃度に基づいて空燃比を算出する算出式について説明する。

まず、入射光強度Ｉ０および透過光強度Ｉｔを用いて、Ｉｔ／Ｉ０により示される透過率を算出する。

ここで、光路長（ｍｍ）をＬとし、吸光係数（ｍｍ² ／ｍｇ）をμとし、燃焼室内の混合ガス濃度（ｍｇ／ｍｍ³ ）をｃとした場合、下記式（１）により示される関係式が成立する。

ｌｏｇ_e （Ｉｔ／Ｉ０）＝−Ｌ・ｃ・μ ・・・（１）
上式（１）より、下記式（２）の関係式が成立する。下記式（２）により混合ガス濃度ｃを算出することができる。

ｃ＝−（１／（μ・Ｌ））・ｌｏｇ_e （Ｉｔ／Ｉ０） ・・・（２）
なお、上記の光路長Ｌとは、光が点火プラグ１０のサファイヤロッド４３の先端からミラー３９を介して再びサファイヤロッド４３の先端に戻るまでの距離に相当する。また、吸光係数μは、用いる燃料の種類により異なるため予め計測しておく必要がある。

ここで、空燃比は、混合ガス濃度ｃに対する空気密度（ｍｇ／ｍｍ³ ）の比率により算出される。

上記の空気密度は、行程容積（ｃｍ³ ）に対する吸入空気量（ｇ）の比率により算出される。行程容積は計算値である。

上記の吸入空気量は、下記式（３）により示される。以下、吸入空気量をａ１として示す。

ａ１＝ａ２・ａ／（６０・ｒ・ｂ）・１０００ ・・・（３）
上式（３）において、係数ａ２は吸入空気質量流量（ｋｇ／ｈ）を示し、諸元設定値である。また、上式（３）において、係数ａは所定の係数であり、２ストロークエンジンの場合、係数ａは１となり、４ストロークエンジンの場合、係数ａは２となる。

さらに、上式（３）において、係数ｒはエンジン１の回転数（ｒｐｍ：revolutions per minute）を示し、係数ｂはエンジン１の気筒数を示す。例えば、エンジン１が単気筒で構成されている場合には、係数ｂは１となる。

次に、入射光強度Ｉ０および透過光強度Ｉｔを得る方法について図面を参照しながら説明する。なお、入射光強度Ｉ０および透過光強度Ｉｔは、それぞれ後述の実測値としての入射光強度Ｉａｌｌおよび透過光強度ＩＴから算出される計算値である。

図４は、入射光強度Ｉ０および透過光強度Ｉｔを得るためのエンジン１のクランクシャフトの回転角度（クランクアングル）と赤外光強度との関係を示す説明図である。

図４に示すように、横軸はクランクシャフト３のクランクアングルを示し、縦軸は赤外光強度を示す。

図４においては、４ストロークエンジンでの吸気行程、圧縮行程、燃焼行程および排気行程からなる１サイクルにおけるクランクアングルと赤外光強度との関係が示されている。

排気行程および吸気行程の初期では赤外光強度はほぼ一定となる。圧縮行程では燃焼室内の混合ガス濃度は上昇するので赤外光強度は減少する。燃焼行程の前段階における点火プラグ１０による点火の直後に赤外光強度は最小となる。

燃焼行程では燃焼室内の混合ガス濃度が下降するとともに、混合ガスが燃焼して赤外光が発生することにより、赤外光強度が急激に上昇する。その後、赤外光強度は下降し、排気行程ではほぼ一定となる。

なお、図４のクランクアングルａ１〜ａ５の大小関係は、ａ１＜ａ２＜ａ３＜ａ４＜ａ５とする。

ここで、図４において、クランクアングルａ１からクランクアングルａ５までの角度範囲ｒ２が、音響光学変調器３１によりシャッタリングオンの動作が行われる角度範囲となる。また、クランクアングルａ５から次のサイクルのクランクアングルａ１までの角度範囲ｒ０がシャッタリングオフの動作が行われる角度範囲となる。

また、クランクアングルａ２からクランクアングルａ３までの角度範囲ｒ１が、入射光強度Ｉ０の平均値が取得される角度範囲となる。

さらに、クランクアングルａ４からクランクアングルａ５までの角度範囲ｒ３が、透過光強度Ｉｔが取得される角度範囲となる。

本実施の形態においては、入射光強度Ｉ０の平均値を取得する前に以下のことを実施する。角度範囲ｒ０において、音響光学変調器３１によりシャッタリングオフの動作を行う。この状態で、燃焼室内の赤外光強度を例えば１０点取得する。そして、取得された１０点の赤外強度の平均値をオフセット値とする。以後、実測される赤外光強度から上記オフセット値を減算する。これにより、燃焼室内に赤外光を照射しないときの赤外光強度の測定値をサイクルごとに０に設定することができる。すなわち、燃焼室内に赤外光を照射しないときの光強度検出器３２の検出信号を基準レベルとして用いることにより、燃焼室内に赤外光を照射したときの赤外光強度を正確に検出することができる。

次に、角度範囲ｒ１において入射光強度Ｉ０が複数点取得され、その平均値が透過率を算出するための入射光強度Ｉ０として採用される。なお、図４において点線で示すように、排気行程において入射光強度Ｉ０を取得してもよい。

ここで、点火プラグ１０内において、通常入射光ファイバ３５から出射された光は、空隙Ｓおよびサファイヤロッド４３を通過するが、サファイヤロッド４３の端面で反射される入射光ＩＢが存在する。したがって、下記のように補正を行うことが好ましい。

すなわち、実測された入射光強度Ｉａｌｌに対して、予め測定された反射光割合を乗じることにより、サファイヤロッド４３の端面の反射光強度Ｉｒｅｆを得る。ここで、反射光割合とは、反射光強度と入射光強度との比である。得られた反射光強度Ｉｒｅｆを、上記の入射光強度Ｉａｌｌから減算することにより、補正後の入射光強度Ｉ０が得られる。

また、角度範囲ｒ３において実測される透過光強度ＩＴから上記の反射光強度Ｉｒｅｆを減算することにより、補正後の透過光強度Ｉｔが得られる。

図５は、シャッタドライバ３１ａによる音響光学変調器３１を制御するための駆動信号を示す説明図である。なお、図５は、４ストロークエンジンでの２サイクル分の駆動信号を示している。

図５の赤外光強度とクランクアングルとの関係は、図４のものと同一である。また、音響光学変調器３１のシャッタリングオンの動作をハイレベルで示し、シャッタリングオフの動作をローレベルで示す。

音響光学変調器３１のシャッタリングオンの動作は、クランクアングルａ１からクランクアングルａ５までの角度範囲ｒ２で行われ、その他のクランクアングルではシャッタリングオフの動作が行われる。

図５に示す内圧とは、燃焼室内の圧力値である。吸気行程では内圧はほぼ一定であり、圧縮行程では内圧は上昇する。また、燃焼行程における燃焼後のクランクアングルで内圧は最大値となり、その後排気行程に向けて内圧は下降する。

図５に示すトップパルスとは、角度範囲ｒ２内で透過光強度ＩＴを光強度検出器３２により検出するタイミングを表わすタイミング信号であり、ロータリエンコーダ１０ｂの検出信号に基づいて作成される。

図５に示す第１の駆動信号は、ロータリエンコーダ１０ｂの検出信号に基づいて作成されるタイミング信号である。第２の駆動信号は、燃焼解析装置３００からシャッタドライバ３１ａに入力される。第３の駆動信号は、シャッタドライバ３１ａから音響光学変調器３１に入力される。

第１の駆動信号は、音響光学変調器３１のシャッタリングオンおよびシャッタリングオフの動作それぞれの開始点におけるクランクアングルで立ち上がるパルス波形を有する。

第２の駆動信号は、第１の駆動信号の立ち上がりに応答してハイレベルとローレベルとに交互に変化する。それにより、第２の駆動信号は、音響光学変調器３１によりシャッタリングオンの動作が行われる角度範囲ｒ２でのみハイレベルを示す矩形波となる。

第３の駆動信号は、第２の駆動信号がハイレベルのときに０Ｖを中心として正弦波状に変化し、第２の駆動信号がローレベルのときに０Ｖで一定となる。それにより、角度範囲ｒ２でのみ音響光学変調器３１によりシャッタリングオンの動作が行われる。

図６は、図１の表示設定装置３１０による各種設定パラメータの表示の一例を示す説明図である。

図６に示すように、表示設定装置３１０を用いて画面上で以下のパラメータを設定することができる。

混合ガス濃度を測定するか否かを設定することができ、筒内圧力を演算により求めるか否かを設定することができる。また、赤外光計測チャンネルを選択することができる。

シャッタリングオンの動作を行う場合のクランクアングルの角度範囲ｒ２を設定することができる。また、空燃比の演算を開始するクランクアングルを設定することができる。このクランクアングルは、角度範囲ｒ２内に設定される。

入射光強度Ｉ０の平均値が取得される角度範囲ｒ１を設定することができる。また、吸光係数μ、光路長Ｌおよび理論空燃比をそれぞれ設定することができる。さらに、反射光割合を設定することができる。

上記のパラメータをそれぞれ設定して、空燃比検出装置により空燃比を得ることができる。

図７および図８は、本実施の形態に係る空燃比検出装置による各種計測例を示すグラフである。これらの計測結果は、表示設定装置３１０の画面上に表示される。

図７（ａ）において、横軸はクランクアングルを示し、縦軸は当量比を示す。なお、当量比は、空燃比に対する理論空燃比の比率により示される。

理論空燃比とは、空気に燃料を混合したとき、理論上、燃料が完全燃焼する場合の空燃比をいう。例えば、レギュラーガソリンの理論空燃比は、質量比でほぼ１（燃料）：１４．６（空気）となる。当量比が１より小さい場合は、燃料に対して空気の割合が過剰な状態を示し、当量比が１より大きい場合は、燃料に対して空気の割合が不足している状態を示す。

図７（ａ）に示すように、所望のエンジン１の回転数および所望のクランクアングルの角度範囲を設定して、この角度範囲に対する当量比の最大値、最小値および平均値を表示することができる。なお、上記最大値および最小値の代わりに、上記平均値に標準偏差を加算および減算した値を表示することもできる。

また、図７（ｂ）に示すように、所望のエンジン１の回転数および所望のクランクアングルを設定して、各サイクルに対する当量比ならびに複数サイクルにおける当量比の平均値を得ることができる。

図８（ａ）に示すように、所望のクランクアングルを設定して、エンジン１の回転数に対する当量比を得ることができる。

また、図８（ｂ）に示すように、クランクアングルに対する燃焼室の内圧およびクランクアングルに対する赤外光強度を得ることができる。例えば、図７（ｂ）から、燃焼行程直前の混合ガス濃度と燃焼室の内圧との関係を把握することができる。

なお、図７（ａ），（ｂ）および図８（ａ）において、縦軸を当量比としているが、当量比の代わりに空燃比または混合ガス濃度を用いてもよい。

このように、本実施の形態に係る空燃比検出装置においては、音響光学変調器３１を用いることにより、シャッタリングオンおよびシャッタリングオフの動作を数μｓｅｃ以下で行うことができる。

したがって、音響光学変調器３１によるシャッタリングオンおよびシャッタリングオフの動作をそれぞれ高速に行うことができるので、エンジン１の高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも、音響光学変調器３１によるシャッタリングオンおよびシャッタリングオフの動作をそれぞれエンジン１の回転に追従して行うことができる。したがって、エンジン１の高速回転（例えば、８０００ｒｐｍ以上）時および回転速度が大きく変化する過渡時にも燃焼室内の空燃比を正確に検出することができる。

また、音響光学変調器３１によるシャッタリングオフの動作時の光強度検出器３２の出力信号をオフセット値として用いることにより、光強度検出器３２の特性等が変化する場合でも、燃焼室内に混合ガスが導入されないクランクアングルでの光強度検出器３２の出力信号、および燃焼室内に混合ガスが導入されているクランクアングルでの光強度検出器３２の出力信号に基づいて燃焼室内の混合ガスの空燃比を正確に検出することができる。

さらに、光学素子である音響光学変調器３１は、機械式のチョッパに比べて高い耐久性を有するので、空燃比検出装置の耐久性が著しく向上する。

また、本実施の形態では、エンジン１の回転に連動するタイミングがロータリエンコーダ１０ｂにより検出されるので、エンジン１のサイクルごとに光強度検出器３２の出力信号のオフセット値を抽出することができる。その結果、燃焼室内の混合ガスの空燃比をより正確に検出することができる。

また、本実施の形態では、表示設定装置３１０を用いて、燃焼解析装置３００による空燃比の算出条件、およびシャッタドライバ３１ａによる音響光学変調器３１のシャッタリングオンおよびシャッタリングオフの切り替え制御条件に関するパラメータを設定することができる。燃焼解析装置３００またはシャッタドライバ３１ａは、設定されたパラメータに基づいて動作する。したがって、種々の条件でエンジン１の燃焼室内の空燃比を検出することが可能となり、種々の条件でのエンジン１の特性を評価することができる。

さらに、空燃比に関する情報が表示設定装置３１０により表示されるので、検出された空燃比に関する情報を容易に把握することができる。それにより、エンジン１の特性の評価を容易に行うことができる。

なお、本実施の形態では、赤外光を点火プラグ１０を通して燃焼室５内に導入するとともに燃焼室５から点火プラグ１０を通して導出しているが、これに限定されるものではなく、点火プラグ１０とは別の箇所から赤外光を燃焼室５内に導入するとともに燃焼室５から別の箇所を通して赤外光を導出してもよい。

（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態に係る空燃比検出装置を示す模式図である。本実施の形態に係る空燃比検出装置は、第１の実施の形態に係る空燃比検出装置と同様のものであって、車両の一例である自動二輪車に設けられ、運転時のエンジンの制御に用いられる。

図９に示すように、エンジン１は、シリンダボディ２、クランクシャフト３、ピストン４、燃焼室５、吸気管６、吸気バルブ７、排気管８、排気バルブ９、点火プラグ１０および点火コイル１１を含む。

燃焼室５内は、ピストン４により２つの空間に区画されており、区画された一方の空間が燃焼室５となる。燃焼室２内の区画された他方の空間にはクランクシャフト３が設けられている。クランクシャフト３は、コンロッド３ａによりピストン４に接続されている。

燃焼室５内には吸気バルブ７を介して吸気管６が連通しているとともに排気バルブ９を介して排気管８が連通している。

吸気管６内には、図示しないアクセルの操作に応じて開閉されるスロットルバルブ１２が設けられ、このスロットルバルブ１２の下流側にインジェクタ１３が設けられている。インジェクタ１３は燃料を噴射する。

インジェクタ１３は、燃料タンク１９内に設けられている圧力制御バルブ１６に接続されている。圧力制御バルブ１６は、燃料タンク１９内に設けられた燃料ポンプ１７に接続され、燃料ポンプ１７は、燃料タンク１９内に設けられたフィルタ１８に接続されている。

シリンダボディ２の上部には、燃焼室５に直結されているとともに吸気管６からの空気とインジェクタ１３からの燃料との混合ガスに点火する点火プラグ１０が設けられている。点火プラグ１０は、イグニッションケーブル２９により点火コイル１１に接続されている。なお、点火プラグ１０の構成の詳細については前述した通りである。

シリンダボディ２にはクランク回転角センサ２０が設けられている。クランク回転角センサ２０によりクランクシャフト３の回転角度（クランクアングル）が検出されることによって、エンジン１の運転状態を検出することができる。

また、シリンダボディ２にはそのシリンダボディ２の温度を検出する冷却水温度センサ２１が設けられ、排気管８にはその排気管８内の空燃比を検出する排気空燃比センサ２２が設けられている。

吸気管６にはその吸気管６内の吸気圧力を検出するための吸気圧力センサ２４が設けられているとともに吸気管６内の温度を検出する吸気温度センサ２５が設けられている。

ここで、所定の位置に設けられた光源３０から出射された例えば赤外光等の所定の波長を有する光は、音響光学変調器３１を通過した後、入射光ファイバ３５内を伝送される。

入射光ファイバ３５内を伝送される光は点火プラグ１０内を通過し、燃焼室５内の混合ガスに照射される。混合ガスを透過した光は、点火プラグ１０の先端に設けられた上記のミラー３９（図２）により反射され、出射光ファイバ３６に入射される。その後、出射光ファイバ３６内を伝送された光は光強度検出器３２に入射される。

光強度検出器３２は、光の強度を検出するものである。音響光学変調器３１による後述のシャッタリングの動作はシャッタドライバ３１ａにより制御される。なお、音響光学変調器３１の構成およびシャッタリングの動作については第１の実施の形態と同じである。また、音響光学変調器３１の代わりに、音響光学Ｑスイッチ等を用いてもよい。

入射光ファイバ３５および出射光ファイバ３６は、光ファイバケーブル３３として一体的に被覆されている。本実施の形態においては、１本の入射光ファイバ３５が設けられているのに対し、出射光ファイバ３６は３本設けられている。これは、燃焼室５内の混合ガス中に拡散された反射光の回収率を向上させるためである。

制御部１５は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置からなり、クランク回転角センサ２０、冷却水温度センサ２１、排気空燃比センサ２２、吸気圧力センサ２４、吸気温度センサ２５および光強度検出器３２からの検出信号を受ける。

また、制御部１５は、上記複数の検出信号に基づいてインジェクタ１３の噴射動作、圧力制御バルブ１６の開閉動作および燃料ポンプ１７の吸引動作を制御するとともに、シャッタドライバ３１ａおよび点火コイル１１に制御信号を出力する。

点火プラグ１０、制御部１５、クランク回転角センサ２０、光源３０、音響光学変調器３１、シャッタドライバ３１ａ、光強度検出器３２および光ファイバケーブル３３が空燃比検出装置を構成する。

図１０は、図９の制御部１５の構成を示す模式図である。

図１０に示すように、制御部１５は、シャッタ制御部１５１、空燃比算出部１５２およびエンジン制御部１５３から構成される。エンジン制御部１５３は、点火時期制御部１５４および燃料噴射制御部１５５を含む。

シャッタ制御部１５１は、クランク回転角センサ２０から検出信号を受け取り、シャッタドライバ３１ａに制御信号を出力する。

空燃比算出部１５２は、光強度検出器３２から検出信号を受け取り、空燃比を算出する。また、空燃比算出部１５２は、算出された空燃比に基づく算出信号を点火時期制御部１５４および燃料噴射制御部１５５に出力する。

点火時期制御部１５４および燃料噴射制御部１５５は、上記算出信号に基づいて、それぞれ点火コイル１１による点火動作（点火時期）およびインジェクタ１３による燃料噴射動作（燃料噴射量および燃料噴射時期）を制御する。

エンジン制御部１５３は、クランク回転角センサ２０、冷却水温度センサ２１、排気空燃比センサ２２、吸気圧力センサ２４および吸気温度センサ２５から検出信号を受け取り、圧力制御バルブ１６の開閉動作および燃料ポンプ１７の吸引動作をそれぞれ制御する。

図１１は、本実施の形態に係る空燃比検出装置を備えた自動二輪車の模式図である。

図１１に示すように、本体部７０の前端にヘッドパイプ７１が設けられている。ヘッドパイプ７１にフロントフォーク７２が左右方向に揺動可能に設けられている。フロントフォーク７２の下端に前輪７３が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ７１の上端にはハンドル７４が取り付けられている。

本体部７０の上部において、ハンドル７４側から後方へ燃料タンク７５、メインシート７６ａおよびタンデムシート７６ｂが設けられている。

本体部７０の下端に後方へ延びるリアアーム７７が取り付けられている。リアアーム７７の後端に後輪７８が回転可能に支持されている。

また、本体部７０の下端部には、変速機８７およびエンジン１が設けられている。エンジン１には図９の空燃比検出装置が接続されている。

エンジン１の前部には、ラジエータ７９が取り付けられている。エンジン１の排気ポートには排気管８０が接続され、排気管８０の後端にマフラー８１が取り付けられている。

変速機８７のドライブ軸８８にスプロケット８２が取り付けられている。スプロケット８２は、チェーン８３を介して後輪７８の後輪スプロケット８４に連結されている。

変速機８７の下端側方にシフトペダル８５が設けられている。また、本体部７０の下端部にはサイドスタンド８６が設けられている。

このように、本実施の形態では、空燃比検出装置によりエンジン１の高速回転時および回転速度が大きく変化する過渡時にも所望のタイミングで空燃比を正確に検出することができる。そして、検出された空燃比に基づいて、インジェクタ１３による燃料噴射時期および燃料噴射量、ならびに点火プラグ１０による混合ガスへの点火時期が制御部１５により制御される。それにより、エンジン特性を最適化することができ、高出力化、低燃費化および排ガスのクリーン化等が向上される。

（他の変形例）
なお、上記実施の形態では、クランクシャフト３のクランクアングルを用いているが、クランクアングルの代わりにカムシャフトの回転角度を用いてもよい。また、設定すべきクランクアングルの分解能は１°以下が望ましい。

また、上記実施の形態では、空燃比検出装置を自動二輪車に適用する場合について説明しているが、空燃比検出装置を自動三輪車または自動四輪車等の車両にも同様に適用することができる。

（請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応）
上記実施の形態においては、音響光学変調器３１が光学素子および音響光学素子に相当し、光強度検出器３２が光検出器に相当し、燃焼解析装置３００が算出手段に相当し、シャッタリングオンの動作時が第１の状態に相当し、シャッタリングオフの動作時が第２の状態に相当する。

また、上記実施の形態においては、ロータリエンコーダ１０ｂおよびクランク回転角センサ２０がタイミング検出手段に相当し、シャッタドライバ３１ａが切り替え手段に相当し、表示設定装置３１０が設定手段および表示手段に相当し、インジェクタ１３が燃料噴射装置に相当し、制御部１５が制御手段に相当し、後輪７８が駆動輪に相当し、変速機８７が伝達機構に相当する。

さらに、図９に示すエンジン１、点火プラグ１０、制御部１５、光源３０、音響光学変調器３１、シャッタドライバ３１ａ、光強度検出器３２、光ファイバケーブル３３、入射光ファイバ３５および出射光ファイバ３６がエンジン装置を構成する。

本発明は、エンジン特性を評価する評価装置および自動二輪車等の車両に利用することができる。

第１の実施の形態に係る空燃比検出装置を示す模式図である。 図１の点火プラグの構成を示す模式図である。 図１の音響光学変調器の構成を示す説明図である。 入射光強度および透過光強度を得るためのエンジンのクランクシャフトのクランクアングルと赤外光強度との関係を示す説明図である。 シャッタドライバによる音響光学変調器を制御するための駆動信号を示す説明図である。 図１の表示設定装置による各種設定パラメータの表示の一例を示す説明図である。 本実施の形態に係る空燃比検出装置による各種計測例を示すグラフである。 本実施の形態に係る空燃比検出装置による各種計測例を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る空燃比検出装置を示す模式図である。 図９の制御部の構成を示す模式図である。 本実施の形態に係る空燃比検出装置を備えた自動二輪車の模式図である。

符号の説明

１ エンジン
５ 燃焼室
６ 吸気管
７ 吸気バルブ
８ 排気管
９ 排気バルブ
１０ 点火プラグ
１０ａ 筒内圧力センサ
１０ｂ ロータリエンコーダ
１１ 点火コイル
１３ インジェクタ
１５ 制御部
１６ 圧力制御バルブ
１７ 燃料ポンプ
２０ クランク回転角センサ
３０ 光源
３１ 音響光学変調器
３１ａ シャッタドライバ
３２ 光強度検出器
３３ 光ファイバケーブル
３５ 入射光ファイバ
３６ 出射光ファイバ
３９ ミラー
７１ 音響光学媒体
７２ 圧電素子
１５１ シャッタ制御部
１５２ 空燃比算出部
１５３ エンジン制御部
１５４ 点火時期制御部
１５５ 燃料噴射制御部
３００ 燃焼解析装置
３１０ 表示設定装置
Ｉ０ 入射光強度
ＩＡ ０次光
ＩＡ１ 入射光
ＩＢ １次回折光、入射光
Ｉｔ 透過光強度

Claims (12)

1. エンジンの燃焼室内の混合ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置であって、
   光を発生する光源と、
   電気信号に応答して前記光源により発生された光を前記燃焼室内に導く第１の状態と前記光源により発生された光を前記燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替え可能な光学素子と、
   前記燃焼室内から導出される帰還光を検出する光検出器と、
   前記光学素子が前記第１の状態にあるときの前記光検出器の出力信号および前記光学素子が前記第２の状態にあるときの前記光検出器の出力信号に基づいて前記燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする空燃比検出装置。
2. 前記光学素子は、電気信号からなる駆動信号に応答して前記第１の状態および第２の状態に切り替え可能な音響光学素子であることを特徴とする請求項１記載の空燃比検出装置。
3. 前記光学素子が前記第１の状態にあるときの前記光検出器の出力信号は、前記光学素子が前記第１の状態にありかつ前記燃焼室内に混合ガスが導入されていない第１のタイミングでの前記光検出器の出力信号および前記光学素子が前記第１の状態にありかつ前記燃焼室内に混合ガスが導入されている第２のタイミングでの前記光検出器の出力信号を含み、
   前記算出手段は、前記光学素子が前記第１の状態にあるときの前記光検出器の出力信号、前記第１のタイミングでの前記光検出器の出力信号および前記第２のタイミングでの前記光検出器の出力信号に基づいて前記燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出することを特徴とする請求項１または２記載の空燃比検出装置。
4. 前記エンジンの回転に連動するタイミングを検出するタイミング検出手段と、
   前記タイミング検出手段の出力信号に応答して前記光学素子を前記第１の状態および第２の状態に切り替える切り替え手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空燃比検出装置。
5. 前記算出手段による前記空燃比の算出条件および前記切り替え手段による前記光学素子の切り替え条件のうち少なくとも１つに関するパラメータを設定する設定手段をさらに備え、
   前記算出手段または前記切り替え手段は、前記設定手段により設定されたパラメータに基づいて動作することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空燃比検出装置。
6. 前記算出手段により算出された空燃比に関する情報を表示する表示手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空燃比検出装置。
7. 前記表示手段は、前記空燃比に関する情報の時間的変化を視覚的に表示することを特徴とする請求項６記載の空燃比検出装置。
8. 燃焼室、点火プラグおよび燃料噴射装置を有するエンジンと、
   光を発生する光源と、
   電気信号に応答して前記光源により発生された光を前記燃焼室内に導く第１の状態と前記光源により発生された光を前記燃焼室内に導かない第２の状態とに切り替え可能な光学素子と、
   前記燃焼室内から導出される帰還光を検出する光検出器と、
   前記エンジンの回転に連動するタイミングを検出するタイミング検出手段と、
   前記タイミング検出手段の出力信号に応答して前記光学素子を前記第１の状態および第２の状態に切り替える切り替え手段と、
   前記光学素子が前記第１の状態にあるときの前記光検出器の出力信号および前記光学素子が前記第２の状態にあるときの前記光検出器の出力信号に基づいて前記燃焼室内の混合ガスの空燃比を算出する算出手段とを備えたことを特徴とするエンジン装置。
9. 前記算出手段により算出された空燃比に基づいて前記エンジンの動作を制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項８記載のエンジン装置。
10. 前記制御手段は、前記算出手段により算出された空燃比に基づいて前記点火プラグを制御することを特徴とする請求項９記載のエンジン装置。
11. 前記制御手段は、前記算出手段により算出された空燃比に基づいて前記燃料噴射装置を制御することを特徴とする請求項９または１０記載のエンジン装置。
12. 請求項８〜１１のいずれかに記載のエンジン装置と、
    駆動輪と、
    前記エンジン装置により発生される動力を前記駆動輪に伝達する伝達機構とを備えたことを特徴とする車両。

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