JP2010071271A - Fuel concentration measuring device, fuel concentration measuring method, and method of preparing calibration curve therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学的手法を用いた燃料濃度計測装置及び燃料濃度計測方法、並びにそのための較正曲線の準備方法に関し、特に、火花誘起ブレイクダウン分光法(以下、これを「SIBS」と呼ぶ。)を用いた燃料濃度計測装置及び燃料濃度計測方法、並びに、そのための較正曲線の準備方法に関する。 The present invention relates to a fuel concentration measuring apparatus and a fuel concentration measuring method using an optical technique, and a calibration curve preparing method therefor, and in particular, spark induced breakdown spectroscopy (hereinafter referred to as “SIBS”). TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel concentration measuring device and a fuel concentration measuring method using a laser, and a calibration curve preparation method therefor.
SIBSは、放電により試料を励起または電離させ、その結果生じる光を分光分析することにより、試料の成分等についての情報を得る計測手法である。古くからこの手法は、鉄鋼、冶金等の分野で固体試料を対象に広く適用されてきたが、近年では、ガス試料中の微量ガス成分の定性・定量分析への適用も試みられている(例えば特許文献1)。 SIBS is a measurement technique in which information about the components of a sample is obtained by exciting or ionizing the sample by discharge and spectroscopically analyzing the resulting light. For a long time, this technique has been widely applied to solid samples in the fields of steel, metallurgy, etc., but in recent years, it has been tried to apply to qualitative and quantitative analysis of trace gas components in gas samples (for example, Patent Document 1).
燃焼機関や燃焼装置など燃焼を扱う機械においては、古くから点火にスパークプラグによる火花放電が用いられている。また、点火を行う部分の燃料濃度が燃焼の成否等を大きく左右することが知られており、省燃料消費、高効率化、排気ガスの改善、出力特性、排気特性を点火プラグ近傍の燃料濃度を把握し制御する必要がある。そのため、火花放電による点火時に生じる光にSIBSを適用し、燃料濃度等について知見を得るための種々の試みがなされている。 In machines that handle combustion, such as combustion engines and combustion devices, spark discharge using spark plugs has been used for ignition for a long time. In addition, it is known that the fuel concentration in the part that performs ignition greatly affects the success or failure of combustion, etc. Fuel consumption, higher efficiency, improved exhaust gas, output characteristics, exhaust characteristics Need to understand and control. For this reason, various attempts have been made to apply SIBS to light generated at the time of ignition by spark discharge and obtain knowledge about fuel concentration and the like.
例えば、特許文献2には、中心電極に光ファイバを貫通させたスパークプラグを用いてSIBSを行う燃焼制御装置が開示されている。この装置は、吸気工程、排気工程または点火時にこのスパークプラグで火花放電を発生させ、その結果生じる光を光ファイバで集光する。この光を分光光度計に入射し、分光により酸素、窒素酸化物、一酸化炭素、炭化水素等の組成分析を行う。 For example, Patent Document 2 discloses a combustion control apparatus that performs SIBS using a spark plug having an optical fiber penetrated through a center electrode. This apparatus generates a spark discharge with the spark plug during an intake process, an exhaust process, or ignition, and condenses the resulting light with an optical fiber. This light is incident on a spectrophotometer, and composition analysis of oxygen, nitrogen oxides, carbon monoxide, hydrocarbons, etc. is performed by spectroscopy.
特許文献3には、点火発光のスペクトル解析を波長306nmにおけるOH band及び波長390nmにおけるCN bandについて行う局所混合気濃度計測法が開示されている。この方法では、OH band及びCN bandの発光強度から裾野部分のNO2の発光強度を除去した値を、CN強度とOH強度としてそれぞれ定義し、CN強度とOH強度との比を求めることにより、点火時期に点火プラグ周辺に存在する混合気の濃度を推定する。 Patent Document 3 discloses a local air-fuel mixture concentration measurement method in which spectrum analysis of ignition emission is performed for OH band at a wavelength of 306 nm and CN band at a wavelength of 390 nm. In this method, the values obtained by removing the emission intensity of NO2 at the base portion from the emission intensity of OH band and CN band are defined as CN intensity and OH intensity, respectively, and the ratio between CN intensity and OH intensity is obtained, Estimate the concentration of the air-fuel mixture around the spark plug at the timing.
特許文献1や特許文献2に記載の装置は、放電を行う雰囲気中の化学成分について、組成分析や定性分析等を行っているが、組成分析や定性分析は、スペクトルの照合を行わなければならず、信号の演算・照合処理に時間を要する。そのため火花点火式ピストン機関のように繰返し燃焼が行われる内燃機関等に適用するには、演算量が多くなりすぎ、困難である。 The devices described in Patent Document 1 and Patent Document 2 perform composition analysis, qualitative analysis, and the like on chemical components in the atmosphere in which discharge is performed. However, composition analysis and qualitative analysis must perform spectrum matching. Therefore, it takes time to calculate and verify the signal. Therefore, it is difficult to apply to an internal combustion engine or the like in which repeated combustion is performed, such as a spark ignition type piston engine, because the calculation amount is too large.
特許文献3に記載の装置では、OH band及びCN bandの2つの波長帯域成分の強度の比から混合気の濃度を推定している。しかし、特許文献3においても指摘されるとおり、火花放電中の光のスペクトルは時間の進展に従い大幅に変化する。特許文献3によれば、適切なタイミングで計測を行えばよいとしているが、具体的にどのタイミングで計測を行えばよいか、またその手段については開示されていない。 In the apparatus described in Patent Document 3, the concentration of the air-fuel mixture is estimated from the ratio of the intensities of the two wavelength band components, OH band and CN band. However, as pointed out in Patent Document 3, the spectrum of light during spark discharge changes significantly with the progress of time. According to Patent Document 3, although it is sufficient to perform the measurement at an appropriate timing, it is not disclosed at which timing the measurement should be performed concretely and its means.
このように、SIBSを利用した燃料濃度の計測は、計測条件の最適化が不十分である。 Thus, the measurement of fuel concentration using SIBS is insufficiently optimized for measurement conditions.
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、SIBSを利用して適切な計測条件で燃料濃度計測を行うことができる燃料濃度計測装置及び燃料濃度計測方法、並びに、そのための較正曲線の準備方法を提供しようとするものである。 The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and a fuel concentration measuring device and a fuel concentration measuring method capable of performing fuel concentration measurement under appropriate measurement conditions using SIBS, and for the same It is intended to provide a method for preparing a calibration curve.
前述の課題を解決し、その目的を達成するために、本発明に係る燃料濃度計測装置は、以下のいずれか一の構成を有するものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a fuel concentration measuring device according to the present invention has any one of the following configurations.
〔構成1〕
火花放電を発生させる放電装置と、火花放電で生じる光を分光し予め定められた2つの波長帯域の光の強度値を得るための計測手段と、2つの波長帯域の光の強度比を算出するための演算手段と、予め準備された較正曲線を用い、強度比に対応する燃料濃度を出力するための換算手段と、計測手段による計測時期を制御するための制御手段とを備え、制御手段は、計測手段による計測時期を、放電装置による放電期間内から選択することを特徴とするものである。
[Configuration 1]
A discharge device for generating a spark discharge; a measuring means for dispersing light generated by the spark discharge to obtain light intensity values of two predetermined wavelength bands; and calculating a light intensity ratio of the two wavelength bands. Using a calibration curve prepared in advance, a conversion means for outputting the fuel concentration corresponding to the intensity ratio, and a control means for controlling the measurement timing by the measurement means, the control means comprising: The measurement time by the measuring means is selected from the discharge period by the discharge device.
燃料濃度(または当量比)との関係があるとされる化学種の発光に対応する波長成分の光の強度は、放電開始からの放電の時間進展に大きく依存しており、計測開始までの遅れ時間と計測を行う期間とにより、依存性は変化する。計測時期を放電装置による放電期間内から選択することにより、燃料濃度との依存性が高い時間帯を選んで計測を行うことが可能になる。 The intensity of the light of the wavelength component corresponding to the emission of the chemical species that is considered to have a relationship with the fuel concentration (or equivalent ratio) depends greatly on the time evolution of the discharge from the start of the discharge, and is delayed until the start of measurement. The dependency changes depending on the time and the measurement period. By selecting the measurement time from the discharge period of the discharge device, it becomes possible to select and measure a time zone highly dependent on the fuel concentration.
〔構成2〕
構成1を有する燃料濃度計測装置において、放電装置は、放電開始時に容量放電を行い、制御手段は、計測の開始時刻及び終了時刻を、その間の期間中に容量放電の期間が含まれるよう選択することを特徴とするものである。
[Configuration 2]
In the fuel concentration measurement device having the configuration 1, the discharge device performs capacity discharge at the start of discharge, and the control means selects the measurement start time and end time so that the capacity discharge period is included in the period between them. It is characterized by this.
容量放電の期間は時間当たりの印加エネルギが高いため、プラズマのエネルギ状態が高く、他原子同士の再結合が起こりやすく、発光強度が燃料濃度に大きく依存する。この容量放電の期間を含むよう計測時期を選択することにより、良好な燃料濃度の計測結果を得ることが可能になる。 Since the energy applied per hour is high during the capacitive discharge period, the plasma energy state is high, recombination between other atoms is likely to occur, and the emission intensity depends greatly on the fuel concentration. By selecting the measurement time so as to include this capacitive discharge period, it is possible to obtain a good measurement result of the fuel concentration.
〔構成3〕
構成2を有する燃料濃度計測装置において、制御手段は、計測時期として火花放電の開始時刻から50マイクロ秒までの期間を選択することを特徴とするものである。
[Configuration 3]
In the fuel concentration measuring apparatus having the configuration 2, the control means selects a period from the spark discharge start time to 50 microseconds as the measurement time.
容量放電は、概ね50マイクロ秒程度で終息し、誘導放電など別の放電形態に移行することが多い。容量放電での光と誘導放電での光では、そのスペクトルパタンが大きく異なる。放電開始から50マイクロ秒までを計測時期として選択することにより、燃料濃度との依存性が高い計測結果が得られる時間帯に計測を行うことが可能になる。 The capacitive discharge generally ends in about 50 microseconds and often shifts to another discharge form such as induction discharge. The spectral pattern differs greatly between light in capacitive discharge and light in induction discharge. By selecting the measurement time from the start of discharge to 50 microseconds, it becomes possible to perform measurement in a time zone in which a measurement result highly dependent on the fuel concentration is obtained.
〔構成4〕
構成2または構成3を有する燃料濃度計測装置において、放電手段の放電ギャップの間隔を3mm以上とすることを特徴とするものである。
[Configuration 4]
In the fuel concentration measuring device having the configuration 2 or the configuration 3, the interval between the discharge gaps of the discharge means is 3 mm or more.
放電ギャップの間隔を3mm以上とすると、高い絶縁破壊電圧で放電が開始されることになる。これにより時間当たりの印加エネルギが高くなる。プラズマのエネルギ状態が高く、他原子同士の再結合が起こりやすくなるため、燃料濃度との依存性が高い良好な計測結果を得ることができる。 When the gap of the discharge gap is 3 mm or more, the discharge is started at a high breakdown voltage. This increases the applied energy per time. Since the plasma energy state is high and recombination between other atoms easily occurs, a good measurement result having high dependence on the fuel concentration can be obtained.
〔構成5〕
構成1乃至構成4のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、2つの波長帯域の一方はCN発光の波長帯域を含み、他方はNH発光の波長帯域を含むことを特徴とするものである。
[Configuration 5]
In the fuel concentration measuring device having any one of Configurations 1 to 4, one of the two wavelength bands includes a wavelength band of CN emission, and the other includes a wavelength band of NH emission.
CN発光とNH発光との強度比は、従来技術に係るCN発光とOH発光との強度比より、燃料濃度に対する依存性が高い。そのため、CN発光の波長帯域とNH発光の波長帯域とを燃料濃度計測に用いる波長帯域として選択すると、燃料濃度計測の精度が向上する。 The intensity ratio between CN emission and NH emission is more dependent on the fuel concentration than the intensity ratio between CN emission and OH emission according to the prior art. Therefore, if the wavelength band of CN emission and the wavelength band of NH emission are selected as the wavelength bands used for fuel concentration measurement, the accuracy of fuel concentration measurement is improved.
〔構成6〕
構成1乃至構成4のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、2つの波長帯域の一方は水素の原子発光の波長帯域を含み、他方は酸素の原子発光の波長帯域を含む
ことを特徴とするものである。
[Configuration 6]
In the fuel concentration measuring device having any one of Configurations 1 to 4, one of the two wavelength bands includes a hydrogen atomic emission wavelength band, and the other includes an oxygen atomic emission wavelength band. Is.
放電によるプラズマ発生の結果二次的に生じるラジカル等の生成物ではなく混合気に含まれる燃料成分と空気の成分から燃料濃度計測を行うことが可能になる。これは計測精度向上に資する。また、従来レーザ誘起ブレイクダウン分光法(LIBS)などのレーザ計測を一般に用いていた原子発光の計測をSIBSで行えるため、レーザ光源等の特別な装置を用いることなく、小型、低価格で原子発光に基づく計測が可能になる。 It is possible to measure the fuel concentration from the fuel component and the air component contained in the air-fuel mixture instead of products such as radicals that are secondarily generated as a result of plasma generation by discharge. This contributes to improvement in measurement accuracy. In addition, since atomic emission measurement, which has conventionally used laser measurements such as laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), can be performed with SIBS, atomic emission can be achieved at a small size and at low cost without using a special device such as a laser light source. Measurement based on can be performed.
〔構成7〕
構成1乃至構成6のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、制御手段は、光路の遮断により計測時期を制御することを特徴とするものである。
[Configuration 7]
In the fuel concentration measuring device having any one of Configurations 1 to 6, the control means controls the measurement timing by blocking the optical path.
〔構成8〕
構成1乃至構成6のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、計測手段は、2つの波長帯域の光を光電変換する検出器により光を検出し、制御手段は、検出器の駆動時期を制御することを特徴とするものである。
[Configuration 8]
In the fuel concentration measurement device having any one of Configurations 1 to 6, the measurement means detects light by a detector that photoelectrically converts light in two wavelength bands, and the control means controls the drive timing of the detector. It is characterized by doing.
〔構成9〕
構成1乃至構成6のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、計測手段は、2つの波長帯域の光を逐次光電変換する検出器により検出し、制御手段は、検出器が出力する信号のうち、計測時期に対応するものを抽出して演算手段に与えることを特徴とするものである。
[Configuration 9]
In the fuel concentration measuring device having any one of Configurations 1 to 6, the measurement means detects light in two wavelength bands by a detector that sequentially photoelectrically converts, and the control means includes signals output from the detector. In this case, a feature corresponding to the measurement time is extracted and given to the calculation means.
〔構成10〕
構成1乃至構成9のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、放電装置は火花点火装置であることを特徴とするものである。
[Configuration 10]
In the fuel concentration measurement device having any one of Configurations 1 to 9, the discharge device is a spark ignition device.
放電装置として、火花点火装置を用いることにより、点火と燃料濃度計測とを同一位置、同一時点で行うことができる。したがって、燃焼の成否等を大きく左右する部分の燃料濃度を適切に計測することが可能になる。 By using a spark ignition device as the discharge device, ignition and fuel concentration measurement can be performed at the same position and at the same time. Therefore, it is possible to appropriately measure the fuel concentration in a portion that greatly affects the success or failure of combustion.
〔構成11〕
構成1乃至構成10のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、放電装置は、火花放電を計測対象の最小着火エネルギ未満のエネルギで行うことを特徴とするものである。
[Configuration 11]
In the fuel concentration measurement device having any one of Configurations 1 to 10, the discharge device performs spark discharge with energy less than the minimum ignition energy to be measured.
最小着火エネルギ未満のエネルギで放電を行うことにより、計測対象に着火させずに燃料濃度を計測できる。これは、例えば点火前の燃料濃度計測が要求される場合等に有用である。 By discharging with energy less than the minimum ignition energy, the fuel concentration can be measured without igniting the measurement target. This is useful, for example, when fuel concentration measurement before ignition is required.
〔構成12〕
構成1乃至構成11のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、さらに、火花放電の発生位置及びその付近の所定範囲からなる計測領域の外側から計測手段への光の入射を抑制するための光学系を備えることを特徴とするものである。
[Configuration 12]
In the fuel concentration measurement device having any one of Configurations 1 to 11, further, an optical for suppressing incidence of light from the outside of a measurement region including a spark discharge generation position and a predetermined range in the vicinity thereof to the measurement unit. It is characterized by comprising a system.
光学系によって計測領域の外側から計測手段への光の入射を抑制することにより、計測の局所性が高まる。すなわち、燃焼に大きく影響を与える部位の燃料濃度を正確に計測できる。 By suppressing the incidence of light from the outside of the measurement region to the measurement means by the optical system, the locality of measurement is enhanced. That is, it is possible to accurately measure the fuel concentration at a part that greatly affects combustion.
〔構成13〕
構成1乃至構成12のいずれか一を有する燃料濃度計測装置において、さらに、火花放電の発生位置に向けて電磁波を照射し火花放電により生じる荷電粒子にエネルギを供給するための手段を備えることを特徴とするものである。
[Configuration 13]
The fuel concentration measuring device having any one of Configurations 1 to 12, further comprising means for irradiating an electromagnetic wave toward a spark discharge generation position to supply energy to charged particles generated by the spark discharge. It is what.
火花放電の発生位置に向けて電磁波を照射すると、火花放電により生じるプラズマはエネルギを受ける。その結果プラズマの領域を拡大し、広い範囲で発光が生じる。すなわち、計測範囲を拡大できる。 When the electromagnetic wave is irradiated toward the position where the spark discharge is generated, the plasma generated by the spark discharge receives energy. As a result, the plasma region is enlarged, and light emission occurs in a wide range. That is, the measurement range can be expanded.
また、本発明に係る燃料濃度計測方法は、以下の構成をとるものである。 The fuel concentration measuring method according to the present invention has the following configuration.
〔構成14〕
火花放電を発生させる放電装置と、火花放電で生じる光を分光し2つの波長帯域の光の強度値を得る計測手段と、2つの波長帯域の光の強度比を算出する演算手段と、予め準備された較正曲線を用い、入力された強度比に対応する燃料濃度を出力するための換算手段とを制御し燃料濃度を計測するよう動作させる方法であって、計測手段による計測時期を、放電装置による放電期間内から選択することを特徴とするものである。
[Configuration 14]
A discharge device that generates a spark discharge, a measuring unit that splits light generated by the spark discharge to obtain an intensity value of light in two wavelength bands, a calculation unit that calculates an intensity ratio of light in two wavelength bands, and a preparation in advance Using the calibration curve thus obtained and controlling the conversion means for outputting the fuel concentration corresponding to the input intensity ratio so as to measure the fuel concentration, wherein the measurement timing by the measuring means is determined by the discharge device. It is characterized by selecting from within the discharge period.
また、本発明に係る較正曲線の準備方法は、以下の構成をとるものである。 The calibration curve preparation method according to the present invention has the following configuration.
〔構成15〕
構成1乃至構成14のいずれか一に記載の較正曲線の準備方法であって、燃料濃度既知の予混合気を放電電極の付近に導入する第1工程と、放電電極を用いて火花放電を発生させる第2工程と、火花放電で生じる光を分光し、計測時期に該火花放電の発生位置で生じる2つの波長帯域の光の強度値を得る第3工程と、2つの波長帯域の光の強度比を算出する第4工程と、第1工程における燃料濃度と第4工程における強度比とを対応させて記録する第5工程とを有することを特徴とするものである。
[Configuration 15]
A calibration curve preparation method according to any one of Configurations 1 to 14, wherein a first step of introducing a premixed gas with a known fuel concentration in the vicinity of a discharge electrode, and generating a spark discharge using the discharge electrode A second step of splitting the light generated by the spark discharge and obtaining a light intensity value of the two wavelength bands generated at the position where the spark discharge is generated at the measurement time, and the intensity of the light of the two wavelength bands A fourth step of calculating the ratio; and a fifth step of recording the fuel concentration in the first step and the intensity ratio in the fourth step in correspondence with each other.
構成1によれば、制御手段は、計測手段による計測時期を放電装置による放電期間内から選択する。したがって、適切かつ高い精度での燃料濃度計測が可能になる。 According to the configuration 1, the control unit selects the measurement timing by the measurement unit from the discharge period by the discharge device. Therefore, it is possible to measure the fuel concentration with appropriate and high accuracy.
構成2によれば、容量放電の期間の発光から良好な計測結果を得ることが可能になる。 According to Configuration 2, it is possible to obtain a good measurement result from light emission during the capacitive discharge period.
構成3によれば、燃料濃度との依存性が高い計測結果が得られる時間帯に計測を行うことが可能になる。 According to the configuration 3, it is possible to perform measurement in a time zone in which a measurement result highly dependent on the fuel concentration is obtained.
構成4によれば、高い絶縁破壊電圧で放電を開始でき、燃料濃度との依存性が高い良好な計測結果を得ることができる。 According to Configuration 4, it is possible to start discharging at a high breakdown voltage and obtain a good measurement result that is highly dependent on the fuel concentration.
構成5によれば、CN発光の波長帯域とNH発光の波長帯域とを波長帯域として選択することにより、燃料濃度計測の精度が向上する。 According to Configuration 5, the accuracy of fuel concentration measurement is improved by selecting the wavelength band of CN emission and the wavelength band of NH emission as wavelength bands.
構成6によれば、混合気に含まれる燃料成分と空気の成分から燃料濃度計測を行うことが可能になり、計測精度が向上する。また、LIBSなどのレーザ計測を一般に用いていた原子発光の計測をSIBSで行えば、レーザ光源等の特別な装置を用いることなく、小型、低価格で原子発光に基づく計測が可能になる。 According to the configuration 6, it becomes possible to measure the fuel concentration from the fuel component and the air component contained in the air-fuel mixture, and the measurement accuracy is improved. In addition, if atomic emission measurement, which generally uses laser measurement such as LIBS, is performed by SIBS, measurement based on atomic emission can be performed at a small size and at low cost without using a special device such as a laser light source.
構成7によれば、光路の遮断により光学的に計測時期を選択できる。これは、信号処理系の簡素化に資する。 According to Configuration 7, the measurement time can be optically selected by blocking the optical path. This contributes to simplification of the signal processing system.
構成8によれば、検出器の駆動時期の制御によって計測時期を選択できる。すなわち、信号処理系の時間分解能等に依存することなく計測時期を適切に選択できる。 According to Configuration 8, the measurement time can be selected by controlling the drive time of the detector. That is, the measurement time can be appropriately selected without depending on the time resolution of the signal processing system.
構成9によれば、検出器の出力信号から演算に用いる信号を抽出することによって計測時期を選択するため、機械式の計測時期選択に頼ることなく、電気的にまたは論理上で計測時期の選択が可能になる。 According to the configuration 9, since the measurement time is selected by extracting the signal used for the calculation from the output signal of the detector, the measurement time can be selected electrically or logically without depending on the mechanical measurement time selection. Is possible.
構成10によれば、燃焼の成否等を大きく左右する部分の燃料濃度を適切に計測することが可能になる。 According to the configuration 10, it is possible to appropriately measure the fuel concentration in a portion that greatly determines the success or failure of combustion.
構成11によれば、計測対象に着火させずに燃料濃度を計測できる。 According to Configuration 11, the fuel concentration can be measured without igniting the measurement target.
構成12によれば、計測の局所性が高まり、燃焼に大きく影響を与える部位の燃料濃度を正確に計測できる。 According to the configuration 12, the locality of measurement is improved, and the fuel concentration at a part that greatly affects combustion can be accurately measured.
構成13によれば、計測範囲を拡大できる。 According to Configuration 13, the measurement range can be expanded.
構成14によれば、放電装置と、火花放電で生じる光を分光し2つの波長帯域の光の強度値を得る計測手段と、2つの波長帯域の光の強度比を算出する演算手段と、予め準備された較正曲線を用い、入力された強度比に対応する燃料濃度を出力するための換算手段とをこの方法で動作させることにより、計測手段による計測時期を放電装置による放電期間内から選択し、適切かつ高い精度での燃料濃度計測が可能になる。 According to the configuration 14, the discharge device, the measurement unit that divides the light generated by the spark discharge and obtains the intensity value of the light in the two wavelength bands, the calculation unit that calculates the intensity ratio of the light in the two wavelength bands, By using the prepared calibration curve and operating the conversion means for outputting the fuel concentration corresponding to the input intensity ratio by this method, the measurement time by the measurement means is selected from the discharge period by the discharge device. This makes it possible to measure the fuel concentration with appropriate and high accuracy.
構成15によれば、構成1から構成14のいずれか一に係る較正曲線を得ることができる。 According to the configuration 15, the calibration curve according to any one of the configurations 1 to 14 can be obtained.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔第1の実施形態〕
図1に、本実施形態に係る燃料濃度計測装置100の概略構成をブロック図形式で示す。この燃料濃度計測装置100は、火花放電を行うための構成を備える。すなわち、所定の外部入力150に応答して火花放電を発生させるためのエネルギの投入開始及び終了を表す点火信号151を発生する点火制御器101と、直流電源102と、直流電源102に接続された点火コイル103と、点火コイル103に接続されたスパークプラグ104とを備える。点火制御器101は例えば内燃機関におけるエンジン制御ユニット(ECU)等であってよい。直流電源は具体的には自動車用12ボルトバッテリや、20ボルト直流安定化電源等を用いることができる。点火コイル103及びスパークプラグ104いずれも、内燃機関用の一般的なものであってよい。なお、スパークプラグ104の中心電極と接地電極との間の空隙(以下、この空隙を「放電ギャップ」という)は間隔は3mm以上に設定される。このスパークプラグは、燃料と空気との存在する環境下に放電ギャップが露出するよう配置される。例えば、バーナのガス噴出孔付近、燃焼室内などに配置される。スパークプラグ104は、一般的には点火に用いられるものであり、一般的にスパークプラグが配置されるいずれの位置にこのスパークプラグ104が配置されてもよい。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel
燃料濃度計測装置100はさらに、スパークプラグ104の放電ギャップを臨む位置に配置された集光光学系110と、放電ギャップから出射され集光光学系を通過した光を一方の端部から他方の端部に導く導光路111と、導光路111の他端からの入射光を波長分解して出射する分光器112と、分光器の出射光を波長帯域毎に光電変換する検出器113と、検出器による光電変換の結果得られた信号に対し増幅、A/D変換、及び波長帯域との関連付け等の処理を行い、分光器への入射光のスペクトル信号170を出力する信号処理器114とを備える。
The fuel
集光光学系110は、この集光光学系110のある物点からの光を所定の像点に集光させる。具体的にはレンズ、ミラー、またはそれらを組合せた光学系である。この集光光学系110は、カセグレン光学系、マクストフ光学系等、複数のミラーを組合せて構成されたものであってもよい。これらの光学系では、放電の発生位置以外の領域からの光の入射を抑止しつつ、特に物点と像点とを結ぶ直線の方向(光軸方向)の局所性が高い集光が可能になる。なお、複数のミラー間を透光性の媒質で充填し一体化したものであってもよい。また、スパークプラグ104の電極、碍子、または外側導体等に集光光学系を内蔵させてもよい。
The condensing
なお、この集光光学系は、短波長側が310nm程度までの紫外域まで透過特性を備えるものであることを要する。かつ、スパークプラグ104が設置されうる内燃機関の燃焼室内の高熱、高圧環境下で良好な光学特性を保つ必要がある。したがって、集光光学系110がレンズ等の透光性の部品を備える場合、それらは、例えば人工石英、サファイア等、またはそれに類する光学的・機械的特性を備えた光学ガラス等の素材からなるものであることが望ましい。
In addition, this condensing optical system needs to have a transmission characteristic to the ultraviolet region up to about 310 nm on the short wavelength side. In addition, it is necessary to maintain good optical characteristics under a high heat and high pressure environment in the combustion chamber of the internal combustion engine in which the
導光路111は、具体的には光ファイバであってもよい。この導光路111もまた、集光光学系110と同様に紫外線の透過特性を備えるものであることを要する。なお導光路111の入射端部が放電の発生位置に十分近く配置できれば、導光路111の入射端部自体を集光光学系として用いてもよい。入射端部が放電の発生位置に十分近く配置するために、例えば、導光路111がスパークプラグ104の電極、碍子、または外側導体等を貫通するようにしてもよい。
Specifically, the
分光器112は、具体的には回折格子型の分光器であり、出射光の進行方向は、波長に応じて偏向する。検出器113は、具体的にはICCDカメラであり、露光開始時刻及び露光時間は、外部からのトリガ信号に162により制御される。ICCDカメラ自体の動作については周知であり、ここでは説明を繰返さない。なお、分光器112、検出器113及び信号処理器114については、種々の形態・方式のものがある。これら種々の形式のもののいずれのものを用いることも可能である。例えば、分光器112は、プリズムを用いるものであってもよく、干渉フィルタやダイクロイックミラー等のフィルタを用いたフィルタバンク方式のものであってもよい。また、検出器113は、ICCDに限らず、CMOS、フォトダイオード、光電子増倍管などを用いるものであってもよい。信号処理器114は、検出器114に応じたものを適宜選択すればよい。
The
燃料濃度計測装置100はさらに、信号処理器114の出力信号170を受けるように接続された演算器120を備える。この演算器120は、以下の説明からも明らかなように、具体的には一般的なコンピュータハードウェアと、そのハードウェア上で動作するプログラム及びデータとにより実現される。コンピュータ自体の動作及び機能については周知であり、ここでは説明を繰返さない。
The fuel
演算器120は、以下の機能部を備える。すなわち、スペクトル信号170から第1の波長帯域の光の強度値を抽出し出力する第1の信号抽出部121と、スペクトル信号170から所定の第2の波長帯域の光の強度値を抽出し出力する第2の信号抽出部122と、入力された2つの光の強度値の比を算出し出力する発光強度比算出部123と、発光強度比と燃料濃度との対応関係を表す較正曲線を記憶する較正曲線記憶部124と、入力された発光強度比の信号に対応する燃料濃度を構成曲線記憶部124から読出し出力する換算部125とを備える。
The
本実施形態においては、第1の信号抽出部121は、波長336nm付近の波長帯域の強度値を抽出する。これは、NHラジカルの発光(NH発光)に対応する波長帯域である。第2の信号抽出部122は、波長388nm付近の波長帯域の強度値を抽出する。これは、CNラジカルの発光(CN発光)に対応する波長帯域である。較正曲線は、発光強度比と燃料濃度とを一対一で対応させた情報であり、その形態は関数であってもよく、換算表またはそれに類する一群のデータであってもよい。この較正曲線の準備方法については後述する。
In the present embodiment, the first
燃料濃度計測装置100はさらに、点火制御器101の出力信号151を受けるように接続され、信号を受けた時刻を基点として予め設定された時間経過時に所定のゲート信号162を検出器113に与える時間差制御器115を備える。時間差制御器115は、具体的にはディレイパルスジェネレータ等であってよい。
The fuel
燃料濃度計測装置100は以下のように動作する。すなわち、計測対象となる混合気が放電ギャップ間に存在する状態で外部信号150が与えられると、点火制御器101は、点火信号151を出力する。点火信号151は、予め決められた時間のゲート信号である。点火コイル103は、この点火信号151が印加されている期間中、直流電源102からの給電を受け、点火信号151の印加終了時に昇圧を行うとともに昇圧した直流電圧をスパークプラグ104に印加する。
The fuel
スパークプラグ104が直流電圧を受けると放電ギャップにおいて放電が発生する。スパークプラグ104の放電形態は,数千〜数万ボルトを数マイクロ秒で気体へ印加する容量放電と、数百ボルトの電圧を容量放電終了後から放電完了まで印加する誘導放電により構成される。容量放電の期間と誘導放電の期間とでは、印加されるエネルギ量は異なる。
When the
放電が生じている期間中、放電ギャップ間には、この部分に存在する計測対象がプラズマ化し、その結果発光が生じる。この発光を集光光学系110は集光する。集光された光は、導光路111を介して分光器112に入射し、波長分解される。検出器113は、この波長分解された光161を受光する。
During the period in which the discharge occurs, the measurement target existing in this portion is turned into plasma between the discharge gaps, and as a result, light emission occurs. The light collecting
一方、時間差制御器115は、点火信号151の印加終了時刻に応答して動作し、検出器にトリガ信号162を与える。このトリガ信号162は、検出器113による光電変換の開始時刻と、光電変換の終了時刻とに対応する。検出器113は、光電変換の開始時刻と終了時刻との間の期間中動作し、その期間に受光した光を波長帯域ごとに光電変換する。
On the other hand, the
すなわち、点火信号151の印加終了時刻から光電変換の開始時刻までの時間が、放電に対する計測の遅れ時間となり、検出器113の動作している時間が計測の行われている時間となる。以下の説明では、この計測が行われている時間を「露光時間」と呼ぶことがある。本実施形態では、時間差制御器115は、遅れ時間が0マイクロ秒に、露光時間が50マイクロ秒になるよう、トリガ信号162を検出器113に与える。この光電変換で生じた信号163に対し信号処理を施し、波長別に光の強度を表すスペクトル信号170を生成する。
That is, the time from the application end time of the
スペクトル信号170を演算器120が受けると、第1の信号抽出部121は波長336nm付近の波長帯域の強度比を抽出し、第2の信号抽出部122は波長388nm付近の波長帯域の強度値を抽出する。抽出されたこれら2つの強度値は、発光強度比算出部123に与えられる。発光強度比算出部123は、強度値の比を算出し出力する。換算部125は、発光強度比に対応する燃料濃度を構成曲線記憶部124から読出し、これを計測結果180として出力する。
When the
容量放電の期間と誘導放電の期間とでは強度に明確な差異が見られる。この差異はプラズマのエネルギ状態が影響を及ぼしていると考えられる。容量放電の期間は数マイクロ秒に数ミリジュールのエネルギを気体へ印加して、気体分子の絶縁破壊を起こしてプラズマ化させる。この時エネルギ状態は高く、かつ絶縁破壊直後のため、高エネルギ状態で存在する原子同士の再結合であるCNラジカルの存在量は多い。対して誘導放電の場合は1ミリジュール以下の容量放電に比べ弱いエネルギを気体へ印加する。放電が続いていることを考えるとプラズマ状態であることには変わりないが、プラズマのエネルギ状態は低い。この状態ではCNラジカルを持続させることは難しく、安定な分子として励起状態を維持する。CNラジカルの発光に対応する波長帯域にはN2の発光が重複しており,そのバンドヘッドは波長391nmである。この低エネルギ状態では安定なN2が多く存在するため、低い当量比では発光強度の緩やかな増加になる。そのため、誘導放電期間においては、波長250nm〜800nmにかけて、幅広くスペクトルは分布しており、スペクトル形状は独立した線スペクトルを示す原子発光ではなく、連続したスペクトル形状の分子発光が支配的となる。誘導放電期間は長く持続するため、放電で生じるプラズマの光全体を時間方向に積算した状態で分光分析を行うと、誘導放電に起因する発光が支配的となる。 There is a clear difference in intensity between the capacitive discharge period and the induction discharge period. This difference is considered to be influenced by the energy state of the plasma. During the period of capacitive discharge, energy of several millijoules is applied to the gas within a few microseconds, causing dielectric breakdown of the gas molecules and generating plasma. At this time, since the energy state is high and immediately after dielectric breakdown, the abundance of CN radicals, which are recombination of atoms existing in a high energy state, is large. In contrast, in the case of induction discharge, weak energy is applied to the gas as compared with capacity discharge of 1 millijoule or less. Considering that the discharge continues, the plasma state remains the same, but the energy state of the plasma is low. In this state, it is difficult to sustain the CN radical, and the excited state is maintained as a stable molecule. The N2 emission overlaps in the wavelength band corresponding to the CN radical emission, and the band head has a wavelength of 391 nm. Since a large amount of stable N2 exists in this low energy state, the emission intensity gradually increases at a low equivalent ratio. Therefore, in the induction discharge period, the spectrum is widely distributed over the wavelength range of 250 nm to 800 nm, and the spectrum shape is not atomic emission showing an independent line spectrum, but molecular emission having a continuous spectrum shape is dominant. Since the induction discharge period lasts long, if spectral analysis is performed in a state where the entire plasma light generated by the discharge is integrated in the time direction, light emission caused by the induction discharge becomes dominant.
燃料と空気との混合比を表す当量比を変化させた際の発光スペクトルをみると、310nm、340nm、及び390nm付近の波長帯域は当量比の変化を受けて発光強度やスペクトル形状が変化する。それぞれの波長帯は,OHラジカルの発光に対応する波長(307nm)、NHラジカルの発光に対応する波長(336nm)、CNラジカルの発光に対応する波長(388nm)を含む波長帯域である。当量比に対するOHラジカル、NHラジカル、CHラジカルを含む領域を積算した発光強度をみると、OHラジカル、NHラジカルは燃料濃度の増加に伴い減少傾向を示している。OHラジカルの発光は、検出器162の露光時間と遅れ時間とのいずれに関わらず当量比の増加に伴い上昇し,当量比0.6以降は減少する傾向を示す。NHラジカルは露光時間50マイクロ秒,遅れ時間0マイクロ秒の計測条件で当量比の増加に対してほぼ線形に減少しているが、他の計測条件では変化が見られない。CNラジカルは露光時間50マイクロ秒、遅れ時間0マイクロ秒以外の条件では低い当量比では強度に差が見られない。
Looking at the emission spectrum when the equivalent ratio representing the mixing ratio of fuel and air is changed, the emission intensity and the spectrum shape change in the wavelength bands near 310 nm, 340 nm, and 390 nm in response to the change of the equivalent ratio. Each wavelength band is a wavelength band including a wavelength corresponding to OH radical emission (307 nm), a wavelength corresponding to NH radical emission (336 nm), and a wavelength corresponding to CN radical emission (388 nm). Looking at the emission intensity obtained by integrating the regions containing OH radicals, NH radicals, and CH radicals with respect to the equivalent ratio, OH radicals and NH radicals show a decreasing tendency as the fuel concentration increases. The emission of OH radicals increases as the equivalence ratio increases regardless of the exposure time and delay time of the
露光時間50マイクロ秒,遅れ時間0マイクロ秒の条件における当量比に対する強度比CNラジカルの発光とOHラジカルの発光との強度比は、特許文献3に記載のとおり当量比の増加に対する一定の強度比の増加がどちらにも見られ、当量比への強度比の依存が確認できる。CNラジカルの発光とOHラジカルの発光との強度比も同様に、当量比の増加に対する一定の強度比の増加がどちらにも見られ、当量比への強度比の依存が確認できる。ここで、前者の強度比と後者の強度比とを比較すると、後者の強度比のほうが、より当量比への依存が強く、当量比増加に伴い強く増加する。これはNHラジカルの発光が当量比の増加に対して直線的に減少していることに起因している。 Intensity ratio with respect to equivalent ratio under conditions of exposure time of 50 microseconds and delay time of 0 microseconds The intensity ratio of CN radical emission and OH radical emission is a constant intensity ratio with respect to an increase in equivalent ratio as described in Patent Document 3. Increases in both, confirming the dependence of the strength ratio on the equivalence ratio. Similarly, the intensity ratio between the emission of CN radicals and the emission of OH radicals is also seen in both cases where a constant intensity ratio increases with respect to the increase in equivalent ratio, and the dependence of the intensity ratio on the equivalent ratio can be confirmed. Here, when the intensity ratio of the former is compared with the intensity ratio of the latter, the latter intensity ratio is more dependent on the equivalent ratio, and increases more strongly as the equivalent ratio increases. This is due to the fact that the emission of NH radicals decreases linearly with increasing equivalent ratio.
このように,露光時間50マイクロ秒、遅れ時間0マイクロ秒の容量放電が起こる期間を含む時間帯の計測では、プラズマのエネルギ状態が高く、ラジカル発光と燃料濃度に依存性を確認できる。 As described above, in the measurement in the time zone including the period in which the capacitive discharge with the exposure time of 50 microseconds and the delay time of 0 microsecond occurs, the energy state of the plasma is high and the dependence on the radical emission and the fuel concentration can be confirmed.
なお、上述した実施形態における較正曲線は、燃料濃度既知の計測対象を調製しておき、燃料濃度計測装置100を用いてこの試料に対する計測を行い、発光強度算出部123が出力する強度比を、燃料濃度と対応させて較正曲線記憶部124に記憶させるようにすればよい。
The calibration curve in the above-described embodiment prepares a measurement target with a known fuel concentration, performs measurement on this sample using the fuel
〔第2の実施形態〕
上述の実施形態では、NHラジカルとCNラジカルに対応する波長成分の光の強度値を抽出したが、本発明はこのようなものには限定されない。例えば、燃料濃度計測装置100において、第1の信号抽出部121が抽出の対象とする波長帯域を波長656nmを含む帯域とし、第2の信号抽出部122が抽出の対象とする波長帯域を波長777nmを含む帯域としてもよい。
[Second Embodiment]
In the above-described embodiment, the light intensity values of the wavelength components corresponding to the NH radical and the CN radical are extracted, but the present invention is not limited to such a case. For example, in the fuel
波長656nmを含む波長帯域は水素原子の発光に対応する波長帯域であり、波長帯域を波長777nmを含む波長帯域は、酸素原子の発光に対応する波長帯域である。一般に火花放電に起因する発光からこれら原子発光を確認することは困難であるが、スパークプラグ104において放電ギャップの間隔を3mm程度に開くと、絶縁破壊電圧が一般的なスパークプラグに比べ1.3倍程度に増加する。このようなスパークプラグ104を用いることにより、したがって、計測対象には多くのエネルギが印加される。その結果、原子発光を多く得られるようになる。なお、接地電極の形状を尖らせるなどし、表面の電荷密度が高く、電場強度を強くしてやると、接地電極へ衝突する陽イオンの運動エネルギは高まり、結果として二次電子放出(γ作用)が多くなり衝突電離の頻度が高まり原子の生成を促すことができる。
A wavelength band including a wavelength of 656 nm is a wavelength band corresponding to emission of hydrogen atoms, and a wavelength band including a wavelength band of 777 nm is a wavelength band corresponding to emission of oxygen atoms. In general, it is difficult to confirm these atomic emission from the light emission caused by the spark discharge. However, when the gap of the discharge gap is opened to about 3 mm in the
このように原子発光の確認可能な放電を行うと、水素原子及び酸素原子の発光を検出できる。これらの発光に対応する波長帯域の強度比もまた、燃料濃度に対する依存性があり、当量比に対し高い相関関係を示す。したがって、この強度比を燃料濃度に換算することにより、燃料濃度計測を良好に行うことが可能になる。 Thus, when discharge in which atomic emission can be confirmed is performed, emission of hydrogen atoms and oxygen atoms can be detected. The intensity ratio of the wavelength band corresponding to these emission also depends on the fuel concentration and shows a high correlation with the equivalent ratio. Therefore, by converting this intensity ratio into the fuel concentration, the fuel concentration can be measured satisfactorily.
原子発光は,投入量に対する発光強度の比例関係が明確であるため燃料濃度計測に対して有効である。また、ラジカル発光に対応する波長帯域の第1の実施形態と同様の計測と、本実施形態に示す計測とを同時に計測することも可能である。この同時計測は、プラズマの生成物と物質の両者から燃料濃度計測を行える利点を有している。 Atomic emission is effective for fuel concentration measurement because the proportional relationship of emission intensity to input amount is clear. Moreover, it is also possible to measure simultaneously the measurement similar to 1st Embodiment of the wavelength band corresponding to radical light emission, and the measurement shown to this embodiment. This simultaneous measurement has the advantage that fuel concentration can be measured from both plasma products and substances.
〔その他変形例〕
上述の各実施形態では、スパークプラグ104での放電は、計測対象を着火させるのに十分なエネルギを放電によって計測対象に与えるようにしてもよい。このようにすれば、点火と燃料濃度計測とを同時にかつ同一位置で行うことができる。
[Other variations]
In each of the above-described embodiments, the discharge at the
また、上述の各実施形態では、スパークプラグ104での放電は、計測対象を着火させるのに満たないエネルギ(すなわち最小着火エネルギ以下のエネルギ)を放電によって計測対象に与えるようにしてもよい。このようにすれば、点火前など、点火とは直接無関係のタイミングで、計測対象を着火させることなく燃料濃度計測を行うことが可能になる。
Further, in each of the above-described embodiments, the discharge at the
上述の実施形態では、計測時期は、検出器113の動作の遅れ時間及び露光時間によって制御したが、本発明はこのようなものには限定されない。例えば、放電ギャップから検出器113までの光路のいずれかにシャッタ等を設け、このシャッタの駆動により、計測時期を制御するようにしてもよい。または、検出器113に連続的にまたは逐次的に光電変換を行わせておき、信号処理時に信号に対する時間方向のゲート処理を行うことによっても、計測時期の制御を行うようにしてもよい。または、検出器113に連続的にまたは逐次的に光電変換を行わせておき、その信号を演算器120上で蓄積記憶させておき、その中から計測時期に対応する部分のみを第1の信号抽出部121及び第2の信号抽出部122に与えるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the measurement timing is controlled by the delay time of the operation of the
上述の各実施形態では、演算部120が演算によって2つの波長帯域の抽出を行い、それら波長帯域の強度値を得た。しかし、本発明はこのようなものには限定されない。検出器113が、上述の2つの波長帯域の光のみを光電変換するようにしてもよい。
In each of the above-described embodiments, the
上述の各実施形態では、火花放電によりプラズマを生じさせ、その光を分光したが、プラズマに向けてマイクロ波を照射し、プラズマにエネルギを供給するようにしてもよい。このようにすることにより、放電によりプラズマの生じる領域のエネルギ密度を調整できる。これにより、容量放電時のプラズマのような高エネルギ密度のプラズマを長時間持続させることも可能になる。また、プラズマ化する領域を拡大させることも可能になる。 In each of the above-described embodiments, plasma is generated by spark discharge and the light is dispersed, but energy may be supplied to the plasma by irradiating the microwave with the plasma. By doing in this way, the energy density of the area | region where a plasma arises by discharge can be adjusted. This also makes it possible to sustain a plasma with a high energy density such as plasma during capacitive discharge for a long time. It is also possible to enlarge the area to be converted into plasma.
時間差制御器115は、点火信号115のタイミングを基準として計測時期の選択を行ったが、本発明はこのようなものには限定されない。発光が検出された最初の時刻を基準として計測時期の選択を行ってもよい。
Although the
なお、今回開示した実施形態は単なる例示であって、本発明の範囲が前述の各実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、明細書及び図面の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The embodiment disclosed this time is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to only the above-described embodiments. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after considering the description of the specification and the drawings, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the words described therein. It is a waste.
101 点火制御器
102 直流電源
103 点火コイル
104 スパークプラグ
110 集光光学系
111 導光路
112 分光器
113 検出器
114 信号処理器
115 時間差制御器
120 演算器
121 第1の信号抽出部
122 第2の信号抽出部
123 発光強度比算出部
124 較正曲線記憶部
125 換算部
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記火花放電で生じる光を分光し予め定められた2つの波長帯域の光の強度値を得るための計測手段と、
前記2つの波長帯域の光の強度比を算出するための演算手段と、
予め準備された較正曲線を用い、前記強度比に対応する燃料濃度を出力するための換算手段と、
前記計測手段による計測時期を制御するための制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記計測手段による計測時期を、前記放電装置による放電期間内から選択する
ことを特徴とする燃料濃度計測装置。 A discharge device for generating a spark discharge;
Measurement means for obtaining light intensity values of two predetermined wavelength bands by dispersing light generated by the spark discharge;
Computing means for calculating the intensity ratio of the light in the two wavelength bands;
Conversion means for outputting a fuel concentration corresponding to the intensity ratio using a calibration curve prepared in advance,
Control means for controlling the measurement time by the measurement means,
The fuel concentration measurement device, wherein the control means selects a measurement time by the measurement means from a discharge period by the discharge device.
前記制御手段は、前記計測の開始時刻及び終了時刻を、その間の期間中に前記容量放電の期間が含まれるよう選択する
ことを特徴とする請求項1記載の燃料濃度計測装置。 The discharge device performs capacity discharge at the start of discharge,
The fuel concentration measuring device according to claim 1, wherein the control unit selects the measurement start time and end time so that the capacity discharge period is included in a period between them.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration measuring device according to claim 2, wherein the control means selects a period from the start time of the spark discharge to 50 microseconds as the measurement time.
ことを特徴とする請求項2、または、請求項3記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration measuring device according to claim 2 or 3, wherein an interval between discharge gaps of the discharge means is 3 mm or more.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein one of the two wavelength bands includes a wavelength band of CN emission, and the other includes a wavelength band of NH emission.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration according to any one of claims 1 to 4, wherein one of the two wavelength bands includes a wavelength band of atomic emission of hydrogen, and the other includes a wavelength band of atomic emission of oxygen. Measuring device.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration measurement device according to any one of claims 1 to 6, wherein the control unit controls the measurement timing by blocking an optical path.
前記制御手段は、前記検出器の駆動時期を制御する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The measuring means detects light by a detector that photoelectrically converts light of the two wavelength bands,
The fuel concentration measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the control unit controls a driving timing of the detector.
前記制御手段は、前記検出器が出力する信号のうち、前記計測時期に対応するものを抽出して前記演算手段に与える
ことを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The measurement means detects the light of the two wavelength bands by a detector that sequentially photoelectrically converts,
The said control means extracts the thing corresponding to the said measurement time among the signals which the said detector outputs, and gives it to the said calculation means. The said any one of Claim 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. Fuel concentration measuring device.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The fuel discharge measuring device according to any one of claims 1 to 9, wherein the discharge device is a spark ignition device.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The fuel concentration measuring device according to any one of claims 1 to 10, wherein the discharge device performs the spark discharge with an energy less than a minimum ignition energy to be measured.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The optical system for suppressing the incidence of light on the measurement means from the outside of the measurement region consisting of the spark discharge occurrence position and a predetermined range in the vicinity thereof. The fuel concentration measuring device according to any one of the above.
ことを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか一に記載の燃料濃度計測装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 12, further comprising means for irradiating an electromagnetic wave toward a position where the spark discharge is generated and supplying energy to charged particles generated by the spark discharge. Fuel concentration measuring device.
前記計測手段による計測時期を、前記放電装置による放電期間内から選択する
ことを特徴とする燃料濃度計測方法。 A discharge device that generates a spark discharge; a measurement unit that splits light generated by the spark discharge to obtain an intensity value of light in two wavelength bands; a calculation unit that calculates an intensity ratio of light in two wavelength bands; A method for operating a fuel concentration by controlling a conversion means for outputting a fuel concentration corresponding to an input intensity ratio using a prepared calibration curve,
The fuel concentration measurement method, wherein a measurement time by the measurement means is selected from a discharge period by the discharge device.
燃料濃度既知の予混合気を放電電極の付近に導入する第1工程と、
前記放電電極を用いて火花放電を発生させる第2工程と、
前記火花放電で生じる光を分光し、前記計測時期に該火花放電の発生位置で生じる2つの波長帯域の光の強度値を得る第3工程と、
2つの波長帯域の光の強度比を算出する第4工程と、
前記第1工程における燃料濃度と前記第4工程における強度比とを対応させて記録する第5工程とを有する
ことを特徴とする較正曲線の準備方法。 A method for preparing a calibration curve according to any one of claims 1 to 14,
A first step of introducing a premixed gas with a known fuel concentration in the vicinity of the discharge electrode;
A second step of generating a spark discharge using the discharge electrode;
A third step of spectroscopically analyzing light generated by the spark discharge and obtaining intensity values of light in two wavelength bands generated at the position where the spark discharge is generated at the measurement time;
A fourth step of calculating the intensity ratio of the light in the two wavelength bands;
A calibration curve preparation method, comprising: a fifth step of recording the fuel concentration in the first step in correspondence with the intensity ratio in the fourth step.
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