JP2966862B2

JP2966862B2 - 燃焼光センサ

Info

Publication number: JP2966862B2
Application number: JP29676289A
Authority: JP
Inventors: 大須賀　　稔; 宜茂大山; 弘黒岩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1989-11-15
Publication date: 1999-10-25
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JPH03160142A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は燃焼光センサに係わり、特に、内燃機関の燃
焼光から燃焼時の空燃比を検出する燃焼光センサに関す
る。

〔従来の技術〕

内燃機関の燃焼光から燃焼時の空燃比を検出する燃焼
光センサとして公知のものに特開昭62−93485号公報に
記載のものがある。この燃焼光センサは、光検出部で内
燃機関の燃焼光を導出し、燃焼光中のラジカル成分、例
えばCH及びC₂のラジカル成分を取り出し、それらの比を
とり、空燃比を求める構成となっている。

なお、自動車技術会、第４回ガソリン機関計測分科会
資料（昭和63年１月28日）には、ボイラーなどの定常火
炎バーナーの火炎光につき同様にラジカル成分を取り出
して空燃比を求める方法が、特開昭57−163841号公報に
は、点火プラグに光ファイバからなる光検出部を取り付
け、エンジンの燃焼時の温度を測定するものが記載され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

特開昭62−93485号公報に記載の従来装置では、燃焼
光中のラジカル成分のみを正確に取り出す最適な検出時
期、他の光成分の除去及び最適な光検出部の形状、配置
等について配慮されておらず、空燃比を正確に測定する
ことは困難であった。

本発明の目的は、内燃機関の燃焼光中の空燃比に関す
る光成分のみを正確に検出でき、空燃比の検出精度を向
上できる燃焼光センサを提供することである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

上記目的を達成するためは、本発明によれば、内燃機
関の燃焼光を外部に導出する光検出手段と、前記光検出
手段の光出力から少なくとも１つのラジカル成分を示す
特定の波長の光を選択し、対応する出力値から空燃比を
求める処理制御手段とを備えた燃焼光センサにおいて、
前記特定の波長の光は、内燃機関の点火直後から爆発行
程の終わりまでに時系列的に２つのピーク値を有し、前
記処理制御手段は、前記特定の波長の光が最初のピーク
値を示すときの前記特定の波長の出力値を求め、この出
力値から前記空燃比を求めることを特徴とする燃焼光セ
ンサが提供される。

また、本発明によれば、前記処理制御手段は、前記特
定の波長の光に対応する出力値について前記ラジカル成
分に依存しないオフセット値を求め、前記出力値からこ
のオフセット値を引いた後の値から空燃比を求めること
を特徴とする燃焼光センサが提供される。

ラジカル成分に相当する波長帯には主燃焼、シリン
ダ、ピストン等からの熱放射分が存在しており、ラジカ
ル成分の特定の波長の光に対応する出力値にはこれらの
影響が含まれている。したがって、これをオフセット値
として求め、出力値から差し引くことによりその影響を
除去でき、ラジカル成分のみを正確に検出できる。

さらに、本発明によれば、内燃機関の燃焼光を外部に
導出する光検出手段と、前記光検出手段の光出力から複
数個のラジカル成分をそれぞれ示す複数の特定の波長の
光を選択し、対応する複数の出力値の比をとり、その比
から空燃比を演算する処理制御手段とを備えた燃焼光セ
ンサにおいて、前記複数の特定の波長の光は、それぞ
れ、内燃機関の点火直後から爆発行程の終わりまでに時
系列的に２つのピーク値を有し、前記処理制御手段は、
前記複数の特定の波長の光がそれぞれ最初のピーク値を
示すときの前記複数の特定の波長のそれぞれの出力値の
比から前記空燃比を求めることを特徴とする燃焼光セン
サが提供される。

また、本発明によれば、前記処理制御手段は、前記複
数の特定の波長の光に対応する複数の出力値の各々につ
いて前記ラジカル成分に依存しないオフセット値を求
め、前記各出力値からこのオフセット値を引いた後の値
から前記比をとり、空燃比を求めることを特徴とする燃
焼光センサが提供される。

複数個のラジカル成分の出力値からオフセット値を引
いた後の値の比をとり、空燃比を求めることにより、ラ
ジカル成分単独の場合よりも汚れ、温度の影響が除去で
き、空燃比の検出精度が向上する。

ラジカル成分を示す特定の波長の出力値からオフセッ
ト値を引く場合には、特定の波長の出力値を求める時期
を特定の時期に選定してもよいが、内燃機関の燃焼サイ
クルの所定の期間で前記比の平均をとり、その値から空
燃比を求めてもよい。

〔実施例〕

以下、本発明の好適実施例を図面により説明する。

まず、本発明の一実施例による燃焼センサの光検出部
を第１図により説明する。

第１図において、光検出部１は点火プラグ内蔵型であ
り、点火プラグの中心電極２の中心を軸方向に貫通する
石英の光ファイバ３が設けられている。光ファイバ３の
先端は中心電極２から少し突出しており、内燃機関の燃
焼光がファイバ３を通して外部の回路に導出される。中
心電極２には光電圧端子４から高電圧が供給される。接
地電極５は中心電極２の横方向に位置し、その先端が中
心電極２の先端外周部に対面している。

高圧端子４から高電圧を供給すると、光検出部１は点
火プラグとして機能し、中心電極２と接地電極５の間に
火花が形成される。燃焼室内の火炎はこの火花により形
成され、ここから成長する。このため、光ファイバ３は
火炎の成長初期からの光を検出することができる。

また、接地電極５の先端を中心電極２の先端外周部に
対面させたので、光ファイバ２の視野が接地電極５に妨
げられず、火炎の成長初期の光が入射し易い構造となっ
ている。以下、この点を第２図により説明する。

第２図は点火プラグの中心電極２および接地電極５近
傍の火炎の成長初期の状態を示すものである。20は電極
間に発生する火花で、21は光検出部、すなわち、光ファ
イバ３の視野を示している。第２図（ａ）は本実施例の
光検出部１を、第２図（ｂ）は従来の光検出部を示す。

火花20の付近には、燃焼中の燃料粒子24、ラジカル成
分22、未燃の燃料粒子23が順次存在しており、光ファイ
バ３の視野21内にラジカル成分22が多く分布した方が検
出時のS/Nが高くなる。なお、これらの点は本発明の原
理の関連で後述する。

第２図（ａ）では、中心電極２の横に接地電極５があ
るために、光ファイバ３の視野21は接地電極５に妨げら
れることはない。このため、ラジカル成分22が良く観察
することができる。一方、第２図（ｂ）では、接地電極
5Aが光ファイバ３の視野21を妨げているので、ラジカル
成分22を検出するのは困難である。

なお、ここでの視野とは、受光量の半値幅を示す角度
を視野角とした範囲を示している。

以上のように、本実施例の光検出部１は点火プラグに
内蔵されかつ接地電極５の形状、配置に特徴があり、火
炎の成長初期からの光、特にそのラジカル成分22を容易
に検出することができる。

第３図に光検出部１を含む燃焼光センサ全体の構成を
示す。光検出部１はエンジン６に取り付けられており、
燃焼室７内の燃焼光は光検出部１により導出され、ファ
イバーケーブル８を通って信号処理回路９に導びかれ
る。処理回路９内でその光は光電変換され、その結果得
られた電気信号がコントロールユニット10に送られる。

ユニット10ではこの電気信号を基づき空燃比が演算さ
れ、この値からエンジン６の点火時期およびエンジン６
に供給される燃料噴射量が決定される。前者の点火時期
に関する信号は、点火回路11を介して点火プラグ接続部
12の高電圧端子13に点火信号が送られる。一方、後者の
燃料噴射量の信号は燃料噴射弁14に送られ、その信号に
相当する燃料量が燃焼室７に供給される。

以上の燃焼光センサは、燃焼室７内の燃焼光から燃焼
室内の点火プラグ電極２の近傍の局所空燃比を検出す
る。空燃比の検出は１点火機会毎に１回実行される。こ
のため、エンジンの１燃焼サイクル毎の空燃比が気筒毎
に検出できる。すなわち、空燃比の気筒毎、サイクル毎
の制御が可能になる。

次に、第４図〜第10図を用いて本発明の原理を説明す
る。

第４図に、燃焼光の波長入と光出力の関係を示す。燃
焼光中には、燃料が励起されて種々の化学種がラジカル
化され、異った波長の光を出す化学発光を行う。ラジカ
ルの成分としては、OH,CH,OCO,C₂がある。このうち、O
H,CH,C₂ラジカルが空燃比と密接に関係している。本発
明では、空燃比検出のためのラジカルとして、波長λが
431.5mmのCHラジカルと、517mmのC₂ラジカルを用いる。
この場合、この波長帯の光出力には、ラジカル成分以外
に、主燃焼、シリンダ、ピストンからの熱放射による成
分が加算されており、この分が誤差となる。ラジカル成
分のみを検出するには、この熱放射分を差し引く必要が
ある。

第５図に光出力（イ）と、点火時の２次電流の時間変
化を示す。光出力（イ）は、CHラジカルに相当するλ＝
431.5mm付近の出力である。電流値（ロ）は、点火時期
から点火プラグの電極間に火花が形成されている期間中
出力されている。

光出力（イ）は、放電直後に第１のピーク値Ａを示
し、主燃焼時に第２のピーク値Ｂを示す。この第１のピ
ーク値にラジカル成分が主に表われる。また、第２のピ
ーク値は燃焼圧のピーク値と一致している。

第５図に示す光出力（イ）の第１のピーク値Ａがラジ
カル成分を示す理由を第６図に示す。第６図は、点火プ
ラグの中心電極２および接地電極５近傍の燃料粒子の様
子を示したものである。20は電極間に発生する火花で、
21は光検出部、すなわち、光ファイバ３（第１図参照）
の視野を示している。第６図（ａ）は電極2,5の火花放
電初期、第６図（ｂ）は火花放電後期、第６図（ｃ）は
主燃焼初期の様子である。なお、光ファイバ３の視野21
と電極2,5および火花20とのこの位置関係は説明の都合
上のものであり、実際の位置関係とは正確には一致して
いない。

第６図（ａ）に示す斜線の粒子22はラジカル成分を示
している。また、白丸23は反応前の燃料粒子を示してい
る。電極2,5の火花放電により燃料粒子23が活性化さ
れ、ラジカル成分22が成生される。このラジカル成分22
は化学発光し、特有の波長の光を発する。この光が光検
出部１の光ファイバ３で検出される。

第６図（ｂ）では、ラジカル成分22が主燃焼へ移る。
燃焼している粒子を黒丸24で示す。この状態では、ラジ
カル成分22が光ファイバ３の視野内に広がり、光出力値
は第１のピーク値Ａを示す。第６図（ｃ）では、ラジカ
ル成分22は視野の外に出てしまうので、光出力はやや低
下する。この状態は、第５図の光出力（イ）のｃ点付近
に相当する。

以上のラジカル成分22の検出は、前述したように光フ
ァイバ３の視野21を妨げないように接地電極５を配置す
ることにより正確に行うことができる。

第７図に、空燃比（A/F）を変化させた場合のクラン
ク角度に対するCH,C₂ラジカルの波長付近の光出力の関
係を示す。A/Fが変化すると光出力も変化する。光出力
のピークは２回あり、両者の値ともA/Fにより変化して
いる。２回目のピークは主燃焼からの熱放射によるもの
で、ラジカル成分の変化は示いていない。１回目のピー
クは、前述のようにラジカル成分を示しており、この１
回目のピークはA/Fの関数となっている。

以上より、CH,C₂等のラジカル成分の波長を示す光出
力の１回目のピーク値を検出することによりラジカル成
分を正確に検出でき、正確な空燃比を求めることができ
る。

CH,C₂等のラジカル成分単独でもA/Fは検出できるが、
汚れ、温度の影響などを除くために、例えばCH,C₂ラジ
カルの比をA/Fの出力としたほうがよい。

このラジカル成分の比からA/Fを求める原理を第８図
に示す。それぞれの波長に対応する光出力の第１のピー
ク値A1,A2点をホールドする。このときの値をＶCH,VC2
とする。この値を下記の（１）式に代入する。

Ｒ＝log（ＶC2/VCH） …（１）Ｒはラジカル成分の比であり、この値がA/Fに関係し
ている。

なお、第８図から分かるように、第１のピーク値A1,A
2は内燃機関の点火時期から30゜クランク角までの期間
中にあり、また内燃機関の圧縮行程の上死点の40゜クラ
ンク角前から10゜クランク角後までの期間中にある。

第９図は、Ｒの値をクランク角度を横軸にして示した
図である。角A/FでのＲの最小値M1,M2,M3点が第８図の
第１のピーク値A1,A2の比に相当する。このＲの最小値M
1,M2,M3がA/Fに対応している。

第10図にＲを正確に求める方法を示す。第10図におい
て、光出力の第１のピーク値Ａはこの図から分かるよう
にオフセット値Ｄを含んでいる。このオフセット値Ｄ
は、主にシリンダ、ピストン、燃焼からの熱放射分で、
運転状態により変化する値である。ラジカル成分のみを
抽出する場合には、このオフセット値をＡ点の出力から
引いておく必要がある。このオフセット値Ｄは、燃焼が
終る排気行程の初めから点火時期までの期間Ｅ内に予め
測定しておく。Ａ点をピークホールドした後にオフセッ
ト値Ｄを差し引き、その燃焼サイクルでの出力値とす
る。このようにすれば、ラジカル成分が正確に検出でき
る。

第11図に、以上の原理に基づく本発明の一実施例によ
る燃焼光センサの信号処理部の具体的構成を示す。

第11図において、光検出器１の光出力は光学フィルタ
ー30,31に入力される。この光学フィルター30,31は特定
の波長の光のみを通すものである。例えば、フィルター
30はCHラジカル成分を示す波長λ＝431.5mmの光のみを
通し、フィルター31はC₂ラジカル成分を示すλ＝517mm
の光のみを通すものである。それぞれのフィルターから
の光は光電変換素子32,33に入力され、電気信号に変換
される。この信号の測定を点火直後から開始し、第10図
に示すＡ点の第１回目のピーク値をピークホールド回路
34,35でホールドする。一方、第３のホールド回路36
は、第10図の期間Ｅ内のある点でオフセット値Ｄをホー
ルドする。次に、ホールドされたピーク値Ａとオフセッ
ト値Ｄを引き算器37,38で引き、ラジカル成分のみを抽
出する。その後、両者の値を割り算器39で割り、ラジカ
ル比Ｒを求める。

なお、第11図の構成では、ホールド回路36をピークホ
ールド回路33に接続し、ピークホールド回路33の出力か
らオフセット値を求めたが、光検出器１の光出力からオ
フセット値を求めてもよく、この場合は、光検出器１の
光出力を直接電気信号に変換する第３の光電変換素子を
設け、この光電変換素子をホールド回路36に接続すれば
よい。

ラジカル成分の比からA/Fを求める別の方法の原理を
第12図に示す。図示の光の波長は、例えば、CHラジカル
のλ＝431.5mmである。第12図中、実線の特性（イ）は
出力そのものであり、破線の特性（ロ）は（イ）の出力
の内の熱放射分である。出力が第１のピーク値Ａを示す
ところで（イ）の出力と（ロ）の出力との差Aaは大き
い。この差Aaがラジカル成分に対応している。

第10図の例では、点火前の期間Ｅの出力Ｄをオフセッ
ト値としたが、正確には特性（ロ）の値Abがその時点で
の熱放射分に相当し、これをオフセット値とした方が精
度は向上する。

第13図（ａ）に、点火時期を変化させた場合の出力特
性を示す。特性（ハ）および（ニ）は点火時期のみが異
なるCHラジカルの出力波形である。点火時期が異なる
と、光の出力自体（実線）は変わってしまう。しかし、
点線の熱放射分を差し引いたラジカル成分を示す出力A
a,A′ａはA/Fが同じなので変化しない（Aa＝Ａ′ａ）。
第10図の例のように点火前の出力Ｄをオフセット値とす
ると、（ハ）および（ニ）の両者でオフセット値が同じ
なので、オフセット値を差し引いた値は異なる値とな
る。

第13図（ｂ）は第13図（ａ）の実線の出力と破線の熱
放射分の出力との差を示す。図中、実線（ホ）の特性は
第13図（ａ）の特性（ハ）に対応し、一点鎖線（ヘ）の
特性は第13図（ａ）の特性（ニ）に対応する。特性
（ホ）の値は、点火時期まではほぼ０であり、ラジカル
成分が発光しだすと上昇し、第１のピーク点Ａでこの差
もピーク値Aaを示す。この値AaはA/Fが同じである限り
点火時期を（ヘ）のように変化しても同じ値（Aa＝Ａ′
ａ）となる。この（ホ）、（ヘ）の特性値は主燃料が初
まる時期に零となる。この方法によればピーク値が１つ
であるので、ピーク値の誤検出が少なくなる。

以上より、第12図の特性（イ）の出力そのものと特性
（ロ）の熱放射分の出力との差をとり、そのピーク値Aa
をオフセット値とした方がラジカル成分の検出精度は一
層向上する。

この場合も、ラジカル成分単独でもA/Fは検出できる
が、汚れ、温度の影響などを除くために、例えばCH,C₂
ラジカルの比をA/Fの出力としたほうがよい。第14図
に、前述した（１）式により求めたその比Ｒの値を、第
９図と同様にクランク角度を横軸にして示す。この図か
ら分かるように、Ｒの値は空燃比A/Fに関係すると共
に、各A/FでのＲの値はほぼ一定となる。

第15図に、以上の原理に基づく燃焼光センサの信号処
理部の構成の一実施例を示す。

第15図において、光検出器１の光出力は光学フィルタ
ー40,41,42,43に入力される。フィルター40はλ＝431.5
mmのCHラジカル成分の光のみを通し、フィルター41は第
４図に示すP1点またはP2点のCHラジカル成分近傍の熱放
射分の光のみを通し、通過波長は、例えばP1点でλ＝42
0mm、P2点でλ＝450mmのＢ点である。フィルター40、41
からの光は光電変換素子44、45により電気信号に変換さ
れて引き算器48に入力され、CHラジカル成分のみが抽出
される。

一方、フィルター42はλ＝517mmのC₂ラジカル成分の
光のみを通し、フィルター43は第４図に示すQ1点または
Q2点のC₂ラジカル成分金簿追うの熱放射分の光のみを通
し、通過波長は、例えばQ1点でλ＝510mm、Q2点でλ＝5
25mmである。フィルター42、43からの光は光電変換素子
46、47で電気信号に変換されて引き算器49に入力され、
C₂ラジカル成分のみが抽出される。

すなわち、引き算器48,49では、光電変換素子45で得
た第４図P1点またはP2点の出力、または光電変換素子47
で得たQ1点またはQ2点の出力をそれぞれ光電変換素子4
4,46で得た出力の第１のピーク点でのオフセット値と見
なし、光電変換素子44,46の出力からその値を差し引い
て第13図（ｂ）の出力を得る。

引き算器48、49からの出力は、それぞれ、ピークホー
ルド回路50、51に入力されて、第13図（ｂ）のAaのよう
なピーク値がホールドされる。この値は割り算器52に入
力されて、ラジカル比Ｒが計算される。

第16図に上記原理に基づく別の実施例を示す。第16図
において、引き算器48,49で光電変換素子45,47の出力を
オフセット値として引いた後、その値をそのまま割り算
器55でCH,C₂ラジカル成分に相当する信号の比Ｒをと
る。この比Ｒを演算した後にピークホールド回路53で比
Ｒの値の最小値を求める。割り算器52で比をとるときの
CH,C₂ラジカル成分の分子、分母が逆の場合には最大値
を求める。

このようにすれば、ピークホールドをラジカル成分の
各々について行う必要はなくなる。また、CH,C₂ラジカ
ル成分の出力の第１のピーク値は、クランク角で異なっ
た場所に現れる可能性もある。この場合、比Ｒのピーク
を求める構成にしておけば、同じクランク角の値を用い
ることになり、空燃比の検出がより正確となる。

なお、この考えは、第11図の実施例にも適用すること
ができる。この構成を第17図に示す。図中、Voffsetが
光電変換素子36に対応するオフセット値である。この実
施例では、結局、第９図のM1,M2,M3の点の値Ｒを検出
し、出力信号としていることになる。

第18図に第12図〜第14図に示す原理を応用した実施例
を示す。

上述したように、第12図の特性（イ）の出力そのもの
と特性（ロ）の熱放射分の出力との差をとってCH,C₂ラ
ジカル成分の出力を求め、その比Ｒを求める場合は、Ｒ
の値は第14図に示すように空燃比A/Fに関係すると共
に、各A/FでのＲの値はほぼ一定となる。すなわち、第
１のピーク値以外でＲの値を求めても、ほぼ同じ値を求
めることができるので、必ずしもピークホールドをする
必要がない。本実施例はこのような知見に基づくもので
ある。

第18図において、引き算器48,49で光電変換素子45,47
の出力をオフセット値として引いた後、その値をそのま
ま割り算器55でCH,C₂ラジカル成分に相当する信号の比
Ｒをとる。この比Ｒを演算した後に、平均値回路54で燃
焼サイクルの所定の期間でＲの値の平均をとり、この値
から空燃比を求める。

平均値をとる期間は、ラジカル成分が比較的多く現れ
る方がラジカル成分の検出が容易であるので、第１のピ
ーク値を含む期間、例えば前述した点火時期から30゜ク
ランク角までの期間、または圧縮行程の上死点の40゜ク
ランク角前から10゜クランク角後までの期間が好まし
い。ただし、点火時期から爆発行程の終わりまでの燃焼
期間全体、または燃焼サイクル全体でも構わない。

このようにＲの値の平均値をとることにより、より正
確な空燃比の検出が可能である。

なお、本実施例はＲの値の平均値を求めたが、上述し
たようにどのクランク角のＲ値でもほぼ同じであるの
で、燃焼サイクル中の第１のピーク値以外の一時期を適
宜設定し、そのときのＲの値から空燃比を求めてもよ
い。

第19図に上述した実施例の信号処理をマイクロコンピ
ュータで実現する場合の装置構成を示す。

第19図において、光検出器１の出力信号はCH,C₂ラジ
カルに相当する光学フィルタ60,61を介して、光電変換
器62,63に導びかれる。光電変換器62,63からの出力信号
は、マルチプレクサ64の動作により交互にA/D変換器65
に送られる。A/D変換器65の動作はインテリジェントA/D
（以下「Ｉ−A/D」という）66により制御される。Ｉ−A
/D66では、サンプル点の累積加算、平均値計算がCPU67
の命令なしに実行される。CPU67にはその結果のみが送
られる。すなわち、CPU67はA/D制御のために時間を費や
す必要はない。

第20図にＩ−A/D66の構成を示す。Ｉ−A/D66は、Ｉ−
A/D制御回路70、データ格納のレジスタ71、合計値を格
納するレジスタ72、演算部73、結果をCPU67に送るため
の一時格納レジスタ74から構成されている。

マルチプレクサ64により順次送られてくるデータは複
数個のレジスタ71に格納される。これらのデータは、演
算部73で累積加算される。この結果は、次の加算に使う
ためにレジスタ72に格納される。また、この結果は、CP
U67にロードされるために、レジスタ74にCH,C₂ラジカル
のデータ毎に格納される。したがって、CPU67は、デー
タがほしいときにレジスタ74をロードすればよく、CPU6
7の負荷は大幅に低減される。Ｉ−A/D制御回路70は、A/
D変換器65のスタート、エンド制御75、76や、前述のよ
うなレジスタ、演算部間のデータ制御をCPU67の命令な
しに実行する。

第21図に、Ｉ−A/D66で行われるA/D変換の動作フロー
を示す。第21図（ａ）に示すように、マルチプレクサ64
によりCHラジカル（1ch）、C₂ラジカル（2ch）のデータ
が順次A/D変換される。D11〜D17、D21〜D27はそれぞれ
のデジタル値である。A/D変換のスタートは、第21図
（ｂ）に示すようにある一定の間隔毎に実行される。一
方のA/D変換が終ったら、他方のA/D変換をスタートさせ
る。斜線部がA/D変換の実行時期である。第21図（ｃ）
はA/D変換された後のデジタル値の変化を示す。この値
は累積加算されたデータであり、レジスタ74にそれぞれ
のチャンネル毎に格納される。第21図（ｄ）に示すよう
に、データをロードしたいときに、CPU67からＩ−A/D66
にアクセスすればよい。

本発明の燃焼光センサでは、１サイクル中に数多くの
データを処理する必要があるので、CPU67に関係なくA/D
処理する必要があり、第20図に示すような、演算、制
御、格納機能を有するA/D変換制御装置が必要である。
また、燃焼はサイクル毎に時々刻々変化するので、サン
プルデータは累積加算して、処理することが望ましい。
A/D変換に要する時間は20μｓ程度であり、高速に多数
のデータを処理することが可能である。

第22図に第11図の実施例の動作を第19図のハードを用
いて実行する場合のCPU67の処理手順をフローチャート
で示す。

第22図（ａ）はオフセット値Voffsetを求めるための
フローチャートである。初めにクランク角をリードし
（ステップ100）、第10図に示す期間Ｅになったら、デ
ータをリードする（ステップ101,102）。このデータリ
ードを予め定めた回数だけ繰り返し（ステップ103）、
その後平均値処理する（ステップ104）。この平均値をV
offsetとして出力する（ステップ105）。

第22図（ｂ）は、ラジカル比Ｒを求めるためのフロー
チャートである。初めにクランク角をリードする（ステ
ップ110）。点火時期になったらデータをリードする
（ステップ111,112）。時系列的にサンプルデータを比
較し、ピーク値を検出する（ステップ113）。ピーク値
が見つかったら、Ｖ＝Vpeak−Voffsetの演算を実行し、
オフセット値Voffsetを差し引く（ステップ114）。CH,C
₂ラジカル成分の値ＶCH,VC2を基にlog（ＶC2/VCH）の演
算を実行し（ステップ115）、これをラジカル比Ｒとし
て出力する（ステップ116）。

なお、ステップ111で、点火時期になったらデータを
リードするようにしたが、ある一定のクランク角度にな
ったらリードするようにしてもよい。このある一定のク
ランク角度とは、例えば、圧縮TDCの40゜CA前（40゜BTD
C）とすることができる。この角度は、すべての運転状
態において、点火時期がこの角度内にあることから設定
される。

第23図に、第17図の実施例の動作を第19図のハードを
用いて実行する場合のCPU67の処理手順をフローチャー
トで示す。

第23図（ａ）は、クランク角を割り込みのref信号と
して、その割込みでオフセット値Voffsetを求めるプロ
グラムを起動する（ステップ120）。この起動は第10図
の時間Ｅの間に行われる。そして、このプログラムでは
第22図のステップ102以降の処理手順が行われ、Voffset
が格納される（ステップ121）。

次に、第23図（ｂ）のプログラムでラジカル比Ｒを求
めるプログラムが起動され（ステップ130）、求めたラ
ジカル比Ｒを格納する（ステップ131）。第23図（ｃ）
はラジカル比Ｒを求めるプログラムである。このプログ
ラムが起動されるのは、ref割り込みで点火時期後であ
る。まず、データをリードして（ステップ140）、Voffs
etを引く（ステップ141）。次に、Ｒ＝log（ＶC2/VCH）
を演算してCH,C₂ラジカルの比を求め（ステップ142）、
このＲのピーク値を検出し（ステップ143）、Ｒがピー
クとなったらその値を出力する（ステップ144）。

第24図に、第15図の実施例の動作を第19図のハードを
用いて実行する場合のCPU67の処理手順をフローチャー
トで示す。

第24図のプログラムにはVoffsetを求めるプログラム
はない。第24図のプログラムは点火時期後に起動され
る。初めにCH,C₂ラジカル成分の信号をリードし（ステ
ップ150）、かつそれぞれのVoffsetをリードする（ステ
ップ151）。両者の差を求めて、それがピーク値かどう
かを判断する（ステップ152,153）。ピーク値となった
らその値を基にＲ＝log（ＶC2/VCH）を演算してＲを求
め、出力する（ステップ154,155）。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃焼中のラジカル成分が正確に検出
できるので、各燃焼サイクル毎の点火プラグ回わりの空
燃比が検出できる。この検出値を基に、気筒別の空燃比
制御が可能になり、リーンバーン運転時にも失火するこ
となく運転できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃焼光センサのプラグ
内蔵型の光検出部を示す断面図であり、第２図（ａ）お
よび（ｂ）はそれぞれ本発明の光検出部および従来の光
検出部の機能を比較して示す図であり、第３図はその光
検出部を用いた燃焼光センサ全体の構成を示す図であ
り、第４図は内燃機関の燃焼中の光出力分布を示す図で
あり、第５図は点火時の２次電流と光出力との関係を示
す図であり、第６図（ａ），（ｂ）および（ｃ）は燃焼
初期のラジカルの分布を示す図であり、第７図（ａ）お
よび（ｂ）は、それぞれCHラジカルおよびC₂ラジカルに
ついてのクランク角度に対する出力分布を示す図であ
り、第８図は本発明の原理を説明するため、CHラジカル
とC₂ラジカルの出力分布を重ねて示す図であり、第９図
はその原理によるクランク角度に対するラジカル成分の
比Ｒの関係を示す図であり、第10図は１燃焼サイクル期
間の出力波形図であり、第11図は本発明の一実施例によ
る燃焼光センサの処理部を示すブロック図であり、第12
図は本発明の他の原理を説明するための光出力の特性図
であり、第13図（ａ）は点火時期を違えた場合の光出力
の特性図であり、第13図（ｂ）はオフセット値を差し引
いた同じ光出力の特性図であり、第14図はその原理によ
るクランク角度に対するラジカル成分の比Ｒの関係を示
す図であり、第15図はその原理を用いた本発明の他の実
施例による燃焼光センサの処理部を示すブロック図であ
り、第16図〜第18図は、それぞれ本発明のさらに他の実
施例による同様なブロック図であり、第19図は本発明を
マイクロコンピュータを用いて実施する場合の構成を示
すブロック図であり、第20図はインテリジェントA/Dの
詳細を示す図であり、第21図（ａ）〜（ｄ）はインテリ
ジェントA/Dの動作を説明するためのタイムチャートで
あり、第22図（ａ）および（ｂ）は第19図のハードを用
いて本発明を実施する場合のCPUの処理手順を示すフロ
ーチャートであり、第23図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）
並びに第24図もそれぞれ同様なフローチャートである。符号の説明１……光検出部２……中心電極３……光ファイバ５……接地電極６……エンジン（内燃機関） 10……コントロールユニット（処理制御手段） 22……ラジカル成分 30,31……光学フィルター 34,35……ピークホールド回路 37,38……引き算器 39……割り算器 40〜43……光学フィルター 48,49……引き算器 52……割り算器 53……ピークホールド回路 54……平均値回路 67……CPU（制御処理手段）

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−305342（ＪＰ，Ａ) 特開平１−151745（ＪＰ，Ａ) 特開平２−241950（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−105262（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−105261（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−82039（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−28842（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−35081（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−45535（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−162952（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−243940（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−90643（ＪＰ，Ａ) 特開平１−247740（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−93485（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−163841（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−9391（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−9392（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−9393（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−28083（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−29476（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−29477（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00 F02P 17/00 G01J 1/42 G01J 1/02 H01T 13/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出
手段と、前記光検出手段の光出力から少なくとも１つの
ラジカル成分を示す特定の波長の光を選択し、対応する
出力値から空燃比を求める処理制御手段とを備えた燃焼
光センサにおいて、前記特定の波長の光は、内燃機関の点火直後から爆発行
程の終わりまでに時系列的に２つのピーク値を有し、前記処理制御手段は、前記特定の波長の光が最初のピー
ク値を示すときの前記特定の波長の出力値を求め、この
出力値から前記空燃比を求めることを特徴とする燃焼光
センサ。
【請求項２】請求項１記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記特定の波長の光の最初のピー
ク値に対応する出力値について前記ラジカル成分に依存
しないオフセット値を求め、前記出力値からこのオフセ
ット値を引いた後の値から空燃比を求めることを特徴と
する燃焼光センサ。
【請求項３】請求項２記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は前記内燃機関の排気行程の初めから
点火時期までの期間の前記光出力から前記オフセット値
を求めることを特徴とする燃焼光センサ。
【請求項４】請求項２記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記特定の波長近傍の別の波長の
光を選択し、対応する出力値から前記オフセット値を求
めることを特徴とする燃焼光センサ。
【請求項５】請求項２記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記出力値から前記オフセット値
を引いた後の値のピーク値を求め、その値から空燃比を
求めることを特徴とする燃焼光センサ。
【請求項６】内燃機関の燃焼光を外部に導出する光検出
手段と、前記光検出手段の光出力から複数個のラジカル
成分をそれぞれ示す複数の特定の波長の光を選択し、対
応する複数の出力値の比をとり、その比から空燃比を演
算する処理制御手段とを備えた燃焼光センサにおいて、前記複数の特定の波長の光は、それぞれ、内燃機関の点
火直後から爆発行程の終わりまでに時系列的に２つのピ
ーク値を有し、前記処理制御手段は、前記複数の特定の波長の光がそれ
ぞれ最初のピーク値を示すときの前記複数の特定の波長
のそれぞれの出力値の比から前記空燃比を求めることを
特徴とする燃焼光センサ。
【請求項７】請求項６記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記複数の特定の波長の光に対応
する複数の出力値の各々について前記ラジカル成分に依
存しないオフセット値を求め、前記各出力値からこのオ
フセット値を引いた後の値から前記比をとり、空燃比を
求めることを特徴とする燃焼光センサ。
【請求項８】請求項７記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記複数の特定の波長の各々につ
いてその波長近傍の別の波長の光を選択し、対応する出
力値から前記オフセット値を求めることを特徴とする燃
焼光センサ。
【請求項９】請求項７記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記複数の出力値から前記オフセ
ット値を引いた後の値のピーク値を求め、そのピーク値
の比から空燃比を求めることを特徴とする燃焼光セン
サ。
【請求項１０】請求項７記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記比を求めた後にその比のピー
ク値を求め、そのピーク値から空燃比を求めることを特
徴とする燃焼光センサ。
【請求項１１】請求項７記載の燃焼光センサにおいて、前記処理制御手段は、前記内燃機関の燃焼サイクルの所
定の期間で前記比の平均をとり、その値から空燃比を求
めることを特徴とする燃焼光センサ。