JP3250491B2 - 内燃機関の空燃比検出装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比検出装置

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JP3250491B2 JP21430997A JP21430997A JP3250491B2 JP 3250491 B2 JP3250491 B2 JP 3250491B2 JP 21430997 A JP21430997 A JP 21430997A JP 21430997 A JP21430997 A JP 21430997A JP 3250491 B2 JP3250491 B2 JP 3250491B2
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清美 河村
哲典 鈴置
昭則 斎藤
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガソリン機関のよ
うな内燃機関において、燃焼室の点火前の空燃比を検出
する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の空燃比検出装置は、特開平6−
288283号公報に開示されているように、ガソリン
機関において、ガソリンの蒸気が選択的に吸収する波長
の光を発光する光源と、その波長の光の強度を検出する
光強度検出素子を設け、燃焼室の点火栓近傍位置に空燃
比計測部を設け、光源が発光した光を空燃比計測部の発
光側から受光側に投射して光強度検出素子に入射させる
光路を設けて、透過光強度検出装置を構成している。
【0003】透過光強度検出装置においては、ガソリン
の蒸気に選択的に吸収される波長の光は、空燃比計測部
の発光側と受光側の間に存在するガソリン蒸気と空気の
混合気を透過し、ガソリン蒸気に吸収されて減衰した透
過光の強度が検出される。
【0004】ガソリンの濃度Cは、次の関係式から求め
られる。
【0005】C=ln(I0/I)/(μ・L) ただし、lnは、自然対数である。I0は、ガソリン蒸気
に入射した光の強度であり、Iは、ガソリン蒸気を透過
した光の強度である。μは、ガソリン蒸気の吸光係数で
ある。Lは、空燃比計測部の光路長である。
【0006】また、燃焼室の空気密度を求めるため、燃
焼室の圧力を検出する装置を設けている。
【0007】そして、透過光の強度と燃焼室の圧力及び
空燃比の関係を予め測定して、空燃比算出用のマップを
作成し、この空燃比算出マップを記憶させた空燃比演算
装置を設けている。
【0008】空燃比演算装置において、透過光強度検出
装置と燃焼室圧力検出装置の各出力と空燃比算出マップ
に基づいて、燃焼室点火栓近傍の点火前の空燃比を求め
る。
【0009】なお、この空燃比に基づいて、燃料噴射時
期を制御する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
な空燃比検出装置においては、ガソリン蒸気の吸光係数
は、ガソリンの製造所、製造ロット、レギュラーガソリ
ンやプレミアムガソリンのような種類などによって変化
せず、一義的に定まることを前提にしている。
【0011】プロパンやメタンのような単一成分の燃料
は、その吸光係数が燃料の製造所や製造ロットによって
変化せず、一義的に定まるので、単一成分燃料の内燃機
関においては、製造所や製造ロットの異なる燃料を運転
途中に補給しても、空燃比検出装置が検出する空燃比に
誤差が生じない。
【0012】しかし、ガソリンのような多成分の燃料
は、製造所、製造ロット、レギュラーガソリンやプレミ
アムガソリンのような種類、或いは、季節などによっ
て、組成が異なり、その結果、吸光係数が一義的に定ま
らない。例えば、レギュラーガソリンとプレミアムガソ
リンでは、吸光係数に20%位の差がある。
【0013】従って、多成分燃料の内燃機関において
は、空燃比検出装置に予め設定した吸光係数とは異なる
吸光係数の燃料を使用すると、空燃比検出装置が検出す
る空燃比に誤差が生ずる。
【0014】すると、空燃比検出装置が検出する空燃比
に基づいて制御する燃料噴射時期や点火時期に誤差が生
ずる。
【0015】
【課題を解決するための研究】上記の課題を解決するた
めには、先ず、随時、多成分燃料の内燃機関において
使用中の燃料の吸光係数を検出し、次に、空燃比演算
装置において、使用中の吸光係数に代えて、新たに検出
した吸光係数を使用して空燃比を算出する必要がある。 燃焼室の混合気が均一になる運転時には、燃焼室の
点火栓近傍の空燃比は、燃焼室の全体の空燃比と同一に
なるので、この時に、燃焼室の点火栓近傍の空燃比を検
出する空燃比検出装置において透過光強度を計測し、ま
た、排気管の排気ガスから燃焼室の全体の空燃比を検出
する空燃比センサにおいて燃焼室の全体の燃料濃度を求
める。
【0016】空燃比センサにおいて求めた燃焼室の全体
の燃料濃度Cと、空燃比検出装置において検出した透過
光強度Iを、前記の関係式を変形した次式に代入して、
使用中の燃料の吸光係数μを算出する。
【0017】μ=ln(I0/I)/(C・L) 新たに検出した吸光係数は、空燃比演算装置におい
て使用中の吸光係数と比較し、両者が異なるとき、また
は、両者の差が一定の範囲を越えたときには、空燃比演
算装置において、使用中の吸光係数に代えて、新たに検
出した吸光係数を使用して空燃比を算出する。または、
空燃比演算装置に記憶させた複数の吸光係数の中から、
新たに検出した吸光係数に最も近い吸光係数を選択し、
空燃比演算装置において、使用中の吸光係数に代えて、
新たに選択した吸光係数を使用して空燃比を算出する。
【0018】すると、多成分燃料の内燃機関において使
用中の燃料の吸光係数と同一またはほぼ同一の吸光係数
に基づいて空燃比が検出される。 例えば、燃焼室に燃料のガソリンを直接噴射する直
噴ガソリン機関においては、圧縮行程で燃料を噴射する
ときには、燃焼室の混合気が均一にならないが、吸気行
程で燃料を噴射するときには、噴射開始から点火までの
時間が長く、その間に燃料が拡散すると共に吸気が流動
して、点火直前には、燃焼室の混合気が均一になる。
【0019】従って、吸気行程で燃料を噴射したときの
点火直前に、空燃比検出装置と空燃比センサを使用し
て、使用中の燃料の吸光係数を検出する。
【0020】また、吸気行程で燃料を噴射するときに
は、理論空燃比で燃焼させることが多い。そのようなと
きには、空燃比センサに代えて、排気管の排気ガスから
燃焼室の理論空燃比の燃焼状態を検出するO2センサを
用いることもできる。
【0021】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料の蒸気が
選択的に吸収する波長の光を、燃焼室に設けた空燃比計
測部の発光側から受光側に投射して、燃焼室の燃料蒸気
と空気の混合気を透過した光の強度を検出する透過光強
度検出装置と、透過光強度検出装置の出力と燃料の吸光
係数などに基づいて燃焼室の点火前の空燃比を求める空
燃比演算装置を設けた内燃機関の空燃比検出装置におい
て、内燃機関において使用中の燃料の吸光係数を検出す
る吸光係数検出装置と、空燃比演算装置において使用中
の吸光係数を、吸光係数検出装置で新たに検出した吸光
係数と同一またはほぼ同一の吸光係数に代える吸光係数
補正装置を設けた。
【0022】
【発明の効果】内燃機関において使用中の燃料の吸光係
数と同一またはほぼ同一の吸光係数に基づいて燃焼室の
点火前の空燃比が検出される。従って、使用中の燃料と
は吸光係数の異なる燃料を運転途中に補給しても、空燃
比の検出値に誤差が生じ難い。
【0023】
【発明の実施の形態】
<第1例(図1〜図3参照)>本例は、ガソリン機関に
おいて、燃焼室点火栓近傍の点火前の空燃比を検出する
装置である。
【0024】空燃比検出装置は、図1と図2に示すよう
に、ガソリンの蒸気が選択的に吸収する波長の光を発光
する光源1と、その波長の光の強度を検出する光強度検
出素子2を設け、ガソリン機関の燃焼室3の点火栓4近
傍位置に空燃比計測部5を設け、光源1が発光した光を
空燃比計測部5の発光側から受光側に投射して光強度検
出素子2に入射させる光路6を設けて、空燃比計測部5
の発光側と受光側の間に存在するガソリン蒸気と空気の
混合気を透過した光の強度を検出する透過光強度検出装
置7を構成している。
【0025】光源1は、波長が3.39μmの赤外光を
発光する赤外線レーザである。光強度検出素子2は、光
電変換素子である。光路6は、ハーフミラー8や光ファ
イバ9からなる。
【0026】空燃比計測部5は、図3に示すように、点
火栓4に光ファイバ9の先端とこれに接続した光学窓1
0を埋設し、光学窓10を、点火栓4の陽極電極11の
先端に近接した陰極電極12の折曲先端に対面して配置
し、光学窓10から出た光が燃焼室3の混合気を透過し
て陰極電極12の折曲先端で反射し、その反射光が燃焼
室3の混合気を透過して光学窓10に入る構成にしてい
る。
【0027】また、図1に示すように、空燃比演算装置
15を設け、これに透過光強度検出装置7の光強度検出
素子2を接続している。燃焼室空気密度検出装置16を
設け、これを空燃比演算装置15に接続している。燃焼
室空気密度検出装置16は、ガソリン機関の吸気管の圧
力から検出した燃焼室3の吸入空気量と、ガソリン機関
のクランク角度から検出した燃焼室3の容積から燃焼室
3の空気密度を求めるものである。なお、これは、燃焼
室3の圧力から燃焼室3の空気密度を求めるものであっ
てもよい。
【0028】燃料噴射時期制御装置17と点火時期制御
装置18を設け、これらにそれぞれ空燃比演算装置15
を接続している。
【0029】空燃比演算装置15においては、ガソリン
蒸気の吸光係数などを記憶させ、透過光強度検出装置7
と燃焼室空気密度検出装置16の各出力などに基づい
て、空燃比計測部5の空燃比を求める。即ち、ガソリン
蒸気の吸光係数や透過光の強度などからガソリン濃度を
求め、燃焼室3の空気密度をガソリンの濃度で割って、
燃焼室3の点火栓4近傍の点火前の空燃比を求める。
【0030】この空燃比は、燃料噴射時期制御装置17
と点火時期制御装置18にそれぞれ入力し、ガソリン機
関の燃料噴射時期と点火時期をそれぞれ制御する。
【0031】ガソリン機関の排気管21には、図2に示
すように、空燃比センサ22を設けている。なお、これ
は、O2センサであってもよい。また、図1に示すよう
に、吸光係数検出装置23を設け、これに空燃比センサ
22と空燃比演算装置15をそれぞれ接続している。
【0032】吸光係数検出装置23においては、燃焼室
3の混合気が均一になる運転時に、透過光強度検出装置
7の出力と、空燃比センサ22において排気ガスから求
めた燃焼室3の全体の燃料濃度などに基づいて、使用中
のガソリン蒸気の吸光係数を求める。
【0033】また、図1に示すように、吸光係数比較装
置24を設け、これに吸光係数検出装置23と空燃比演
算装置15をそれぞれ接続している。
【0034】吸光係数比較装置24においては、吸光係
数検出装置23で新たに検出した吸光係数を空燃比演算
装置15において使用中の吸光係数と比較し、両者が異
なるとき、または、両者の差が一定の範囲を越えたとき
に出力する。
【0035】また、図1に示すように、吸光係数補正装
置25を設け、これに吸光係数比較装置24と空燃比演
算装置15をそれぞれ接続し、吸光係数補正装置25を
空燃比演算装置15に接続している。
【0036】吸光係数補正装置25においては、吸光係
数比較装置24が出力すると、空燃比演算装置15にお
いて使用中の吸光係数を、吸光係数検出装置23で新た
に検出した吸光係数に代える。または、空燃比演算装置
15に記憶させた複数の吸光係数の中から、吸光係数検
出装置23で新たに検出した吸光係数に最も近い吸光係
数を選択し、空燃比演算装置15において使用中の吸光
係数を、新たに選択した吸光係数に代える。
【0037】すると、空燃比演算装置15は、新たに求
めた吸光係数を使用して空燃比を算出する。即ち、ガソ
リン機関において使用中のガソリンの吸光係数と同一ま
たはほぼ同一の吸光係数に基づいて空燃比が検出され
る。
【0038】<第2例(図4と図5参照)>本例は、第
1例の空燃比検出装置において、赤外線レーザのような
光源1を不要にするため、加熱されて光を放射する金属
を光源とし、これを点火栓4に内蔵したものである。
【0039】点火栓4は、図4に示すように、電線31
の先端を埋設し、陰極電極12の折曲先端の内面に発熱
体32を固定し、発熱体32中の抵抗線と電線31の先
端を接続している。点火栓4から突出した電線31の末
端は、電源33に接続する構成にしている。
【0040】発熱体32は、抵抗線を充填材に埋設し、
充填材を金属薄板で被覆している。抵抗線に通電する
と、被覆材の金属薄板が加熱されて可視域から赤外域ま
での波長の光を放射する。
【0041】この光は、発熱体32に対面して点火栓4
に埋設した光学窓10に入る構成にしている。光学窓1
0に接続した光ファイバ9と光強度検出素子2の間に
は、図5に示すように、波長が3.39μmの赤外光の
ような、ガソリン蒸気が選択的に吸収する波長の光を透
過する光学フィルタ34を配置している。
【0042】その他の点は、第1例におけるのと同様で
ある。
【0043】<第3例(図6と図7参照)>本例は、第
2例の空燃比検出装置において、光ファイバ9を不要に
するため、光学フィルタ34と光強度検出素子2を点火
栓4に内蔵したものである。
【0044】点火栓4は、図6に示すように、光学窓1
0の後側に光学フィルタ34を埋設し、光学フィルタ3
4の後側に光強度検出素子2を埋設し、光強度検出素子
2の後側に電線35の先端を埋設し、光強度検出素子2
と電線35の先端を接続している。
【0045】点火栓4から突出した電線35の末端は、
図7に示すように、空燃比演算装置15に接続する構成
にしている。
【0046】その他の点は、第2例におけるのと同様で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の第1例の空燃比検出装置の
ブロック線図。
【図2】同例の空燃比検出装置のシステム概略図。
【図3】同例の空燃比検出装置の点火栓の縦断面図。
【図4】実施形態の第2例の空燃比検出装置の点火栓の
縦断面図。
【図5】同例の空燃比検出装置のシステム概略図。
【図6】実施形態の第3例の空燃比検出装置の点火栓の
縦断面図。
【図7】同例の空燃比検出装置のシステム概略図。
【符号の説明】
3 燃焼室 5 空燃比計測部 7 透過光強度検出装置 13 空燃比演算装置 20 吸光係数検出装置 22 吸光係数補正装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−19746(JP,A) 特開 平6−288283(JP,A) 特開 平7−253396(JP,A) 特開 平8−74651(JP,A) 特開 昭55−128136(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 実用ファイル(PATOLIS) 特許ファイル(PATOLIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料の蒸気が選択的に吸収する波長の光
    を、燃焼室に設けた空燃比計測部の発光側から受光側に
    投射して、燃焼室の燃料蒸気と空気の混合気を透過した
    光の強度を検出する透過光強度検出装置と、透過光強度
    検出装置の出力と燃料の吸光係数などに基づいて燃焼室
    の点火前の空燃比を求める空燃比演算装置を設けた内燃
    機関の空燃比検出装置において、 内燃機関において使用中の燃料の吸光係数を検出する吸
    光係数検出装置と、空燃比演算装置において使用中の吸
    光係数を、吸光係数検出装置で新たに検出した吸光係数
    と同一またはほぼ同一の吸光係数に代える吸光係数補正
    装置を設けたことを特徴とする内燃機関の空燃比検出装
    置。
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JP3784768B2 (ja) * 2002-12-02 2006-06-14 ヤマハ発動機株式会社 ガス濃度センサ
JP2006145268A (ja) * 2004-11-17 2006-06-08 Yamaha Motor Co Ltd 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
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