JP3399542B2 - エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその排出物から測定する方法及びシステム - Google Patents

エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその排出物から測定する方法及びシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明はエンジンの燃焼工程の空気／燃料比を測定す
る方法及びシステムに関し、一層詳細には、エンジンの
燃焼工程の空気／燃料比をその排出物（exhaustemissio
ns）から測定する方法及びシステムに関する。
背景技術 エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその排出物から
計算するためには、全ての数式が同一の燃焼減少の同一
の化学及び物理に基いているという事実にもかかわら
ず、数えられない程の異なった数式があるようである。
ダレヴァ（D'Alleva）、スピント（Spindt）、ブレット
シュナイダー（Brettschneider）、ランゲ（Lange）、
サイモン（Simons）、スチヴェンダー（Stivender）、
ホル（Holl）その他の著者らは、これらの数式の源泉と
してしばしば参照される論文を発行している。
ダレヴァは文献で定期的に引用される最も早期の論文
を書いている。彼は排気ガスの組成と空気／燃料比との
間の関係について記述した。彼は燃料h/c比に従って排
気濃度に基いてA/F比を読むように用いることができる
チャートを発表した。これはコンピュータや計算機が出
る以前の1936年のことであったので、そのようなチャー
トは技術現場では一般化され、かつ必要なものであっ
た。
エルチンゲ（Eltinge）はダレヴァのチャートを改良
して不完全燃焼を含めるようにした。このチャートもま
た02測定をしないで用いることができたが、当時は３つ
の測定線の交差によるチャートで形成される三角形の大
きさから測定誤差を予想することは出来なかった。
スピントは大きく前進させた次の一歩を発表した。彼
はCO、CO2、HC及びO2を用いた実際の数式を発表した。
それは完全燃焼の想定を必要としなかった。スピントは
ガルフ・オイルという燃料会社で働いていた、それで彼
は燃焼が完全でなかったこととか、また、排気ガスは複
雑な方法で燃料及びエンジンの作動モードと関係を持っ
た炭化水素の混合物を含んでいることを感知していた。
1973年に、ウイリアム・ホルはACスパーク・プラグで
酸素の測定を必要としない数式を発表した。その数式は
代数的に複雑であり、また彼は試験室のコンピュータが
プログラムをするのにそれほど強力でも容易でも無かっ
た時期に実時間計算をすることに興味をもっていたの
で、彼はべき級数近似式を用い、高次項を無視すること
によって簡素化された数式を開発した。今日用いられて
いるより簡素化された様式はこの考えの変化したもので
ある。
次は1979年のブレットシュナイダーであった。彼は周
囲の空気中の水と測定したNOxを数式に組み込んだこと
に対応する項をスピントの数式に加えた。それで、０と
想定することはもはや必要でなくなった。彼はまた酸素
化された燃料に対応する項も含めた。彼はボッシュで働
いていたので、彼は気化器及び燃料注入システムの性能
に対するA/Fの重要性に敏感であった。彼の数式はスピ
ントについて革命的な進歩であり、それに代るものとな
り得る。
パイケン（Piken）とかループ（Rouf）のような他の
研究者らはその間にスピントの考えを取ってO2測定を必
要としない数式を開発した。O2が存在した場合、彼らは
それを妥当性のチェックとして用いることを提案した。
その後彼らはブレットシュナイダーが行ったようにその
結果を拡大してNOxとH2Oを含めた。
次に来るのは1974年のTUEVからのサイモンである。彼
は他の測定についての妥当性のチェックとして用いる代
りにO2測定によって与えられる余分の自由度を均衡定数
Ｋの計算に用いることができると認知した。これによっ
て彼の式と測定された試験データとの一致を向上させ
た。それは、Ｋは大きく変化し得ること、またはそれは
一般に想定されていた3.5よりも一般的に低いことを示
した。
最近、ブレットシュナイダー及びサイモンの仕事を明
らかに知らない、三菱の研究者、福井、田村、大森、斎
藤は、NO及び水蒸気を含めることによってスピントの式
を改良した。更にそのことをよく表しているのは、彼ら
がまた、均衡定数は触媒の作用によって変更されるよう
であることも認めたことである。彼らはA/Fを測定する
ためにエンジン・ガスを用いることだけを推奨した。サ
イモンの数式は後触媒測定ではより良い性能を表すかも
知れないが、彼らはそれを調べなかった。
以上に述べた数式は幾分複雑となる。物理的定数の値
で作られた多数の想定があり、利用できる情報をどのよ
うに使用するかについての選択もあり、また数式を表す
ために用いられる代数式の形式にも多くの柔軟性があ
る。
物理定数は一般に良く知られているが、しかし正確に
は知られていない。数式に取入れられ代数的に改良され
用いられて他の定数を計算する場合、僅かに異なった値
は、異なった係数をもった数式になる。20.95と20.9と
は空気中の酸素の濃度についての僅かに異なった値であ
ることは誰でも認めることが出来る。しかし、この数を
用いて窒素と酸素との間のモル非を求める場合、4.7741
8と3.7733とが共にこの同じ物理的定数から派生したも
のであることを認めることはさほど易しくはない。ま
た、有効数字の変化する数が定数に用いられていること
も明らかである。
等式の間の差異の大概のものは代数の問題である。A/
F等式の誘導中に多くの数式が生じるので、単純化の過
程で、また単純化された結果の最終形式で採られた代数
のステップの選択に当たっての創造性には多くの余地が
ある。
非常に異なるのでそれらがもはや同等であるとは認め
られないような代数の形式を用いて極めて同じ等式を表
すことが出来る。
相違の別の源泉となるものは、計算に含めるには何が
重要であるかについての基本的な想定である。例えば、 ＊周囲の空気の湿度を含めることは重要であるか？ ＊燃料自体に多量の水が入っているか？ ＊NOxの寄与を無視できるか？ ＊すべてのNOxが無いと想定できるか？ ＊排気中のHCの分子の炭素原子数は幾つか？それは燃料
中のものと同じか？ ＊水／ガス均衡定数は幾つか?3.8、3.5、3.2か、又はも
っと小さいか？ ＊クーラーは試料を完全に乾燥させると想定することが
出来るか？ 理論的には、もし燃焼が完全であり（HC＝Ｏ）、もし
NOxが無視出来て、またもし水／ガス均衡が想定される
ならば、空気／燃料比を測定するためにはCO2とCOとの
測定だけで十分である。
もし燃焼が完全でなければ、HCの測定及び排気ガス中
のHC分子中に何分子のＣがあるかという想定を加えるこ
とができる。炭化水素の分子は一般に排気中では燃料中
にある場合よりも小さい（CNGを除く）。今日では、燃
焼は殆ど完全になっていることが多いので、共通に受容
されている想定に基き、またかなり正確さを期して、C
O、CO2及びHCを測定することだけが必要である。
一層正確にするためには、NOxの測定及びNOが幾らで
あったか、そしてNO2が幾ら適用出来るかについての想
定がある。通常は、NO2＝Ｏと想定する。これはデイー
ゼル車には望ましくないかも知れないが、何れにしても
結果に対するNOxの影響は小さい。
これらのHC、CO、CO2及びNOxの測定をすると、周囲の
空気及び燃料中の水分の項を含めるかどうか、また根本
的な定数についてどのような値を想定しているのかにつ
いてだけ、数式は変化する。
しかし、O2の測定が得られる場合は、別の次元が開
く。この測定は別の自由度を与える。自由度は多数の方
式で用いることが出来る。それは基本的な想定の中の一
つに対する必要性を取り除くこともでき、或いはそれは
他の計測の正確さ及び一貫性についてのエラー・チェッ
クとして用いることも可能である。サイモンの方法はそ
れを用いて水・ガス均衡定数Ｋの値を想定する必要性を
除去するようにした。これは多分最も実用的な用法であ
ろう。
A/Fを測定する場合に、方程式は通常固定された測定
形態に対して設定され、そこでは測定されるべき値及び
するべき想定はあらかじめ良く知られており、変更は期
待されていない。しかし、所定の測定システムは顧客の
選択及び利用可能な測定法次第では異なった状況に対応
しなければならないことが多い。それゆえ、単一の式計
算型よりは寧ろ、異なった状況下で使用者が空気／燃料
比を計算することができるアルコリズムを含んだ測定シ
ステムを持つことが望ましい。
発明の要約 本発明の目的はエンジンの燃焼工程の空気／燃料比を
その排出物から測定する方法及びシステムであって、測
定の状況又は使用者の選択に従って代替の方法が用いら
れるものを提供することである。
本発明の上記の目的並びに他の目的を実施するに当た
って、エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその排出物
から測定する方法が提供される。その方法は、作動中の
エンジンから排出物の試料を採取して排気ガス（exhaus
t gases）と水とを得て、試料中の排気ガスの濃度を測
定して相当する排気ガスの濃度データを与え、所定の計
算形式の組みから計算形式を選択する段階を含む。その
方法はまた、選択された計算形式と排気濃度データとに
基づいて燃焼工程で作られた水の量を計算し、燃焼工程
で作られた水の量と排気ガス濃度のデータとに基づいて
燃焼工程で使用された酸素の量を計算する段階を含む。
最終的に、その方法は酸素の計算された量に基づいて空
気／燃料比を計算して、空気／燃料比を表示する段階を
含む。
好ましくは、その方法はまた、燃焼工程で用いた酸素
の量及び燃焼工程で作りだされた水の量の夫々に対する
最初の酸素及び水の値を与える段階を含む。
また、好ましくは、その方法は、水及び酸素に対する
中間値を計算し、次いで中間の酸素値を最初の酸素値と
比較して、異なった値を得て、もしそれが所定の値より
も小さければ、それが最終酸素値となる。空気／燃料比
を計算する段階はこの最終酸素値に基く。
また更に、好ましくは、計算形式の組みはブレットシ
ュナイダー計算方式及びサイモン計算方式を含む。
また、上記の方法を実施するためのシステムも設け
る。
本発明の上記の目的、特徴、及び利点は、添付の図面
に関連して採った場合の発明を実施するための最良の態
様についての下記の詳細な説明から容易に明らかとなる
ものである。
図面の簡単な説明 図１はエンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその排出
物から計算するシステムの概略図、 図2a及び図2bはエンジンの燃焼工程の空気／燃料比を
その排出物から計算する方法を説明するブロック図フロ
ーチャートを示す。
発明を実施するための最良の態様 図面、特に図１を参照すれば、エンジンの燃焼工程の
空気／燃料比をその排出物から測定するための、概して
10で表されているシステムが示されている。作動エンジ
ン（図示せず）に連通連結された排気パイプ12からの排
気はテイルパイプ・アダプタ14によって排出物サンプラ
ー16に連結されている。一般的に、排出物サンプラー16
は試料を分析するための排出物分析器18によって分析す
るための排気ガスの希釈試料のような試料を作る。サン
プラー16は、自動車のエンジンのようなエンジンの排気
ガスに含まれている排気物質（即ち、例えばCO、CO2、
炭化水素（HC）、NOx、SOx、など）の濃度を測定する。
典型的な分析では、直接排気ガスの成分の濃度を測定
するためには、特別に設計された計器で温度を上げて分
析をするか、又は排気ガスが冷却されると凝縮する水を
分析前に除去するかしなければならない。
その典型的な分析器18は試料中の排気ガスの濃度を測
定して相当する排気ガスの濃度のデータをコンピュータ
22、大量保存ユニット24、及びモニター26のような相互
通信が出来る、標準バスであってよいシステム・バス20
に与える。
コンピュータ22は本発明と関連したアルゴリズムを行
うための十分な量のRAM及びハードデイスクの空きを持
ったパソコンであってよい。
本発明のシステムは大量保存ユニット24でプログラム
して以下に記述するような所定の計算のセットを含める
ようにしてもよい。
特にモニター26のタッチスクリーンについて述べる
と、その中には図形の様式で、また以下に記述するよう
に、どのようにして空気／燃料比の設定関数によって空
気／燃料の測定に用いる計算の形式を設定し選択するこ
とが出来るようになるかが、書かれている。パラメータ
・メニューは４つの可変の設定を与える。各セットを編
集することが出来、また変更事項は保存される。これに
よって、迅速に呼び出すことができる４つの異なったパ
ラメータを作り出すことが出来るようになる。パラメー
タの変数を変更したときは何時でも、パラメータのセッ
トは新規な様式で保存される。
モニター26のパネルはAFR計算を選択し編集する上で
容易性と柔軟性とを与える。変数を設定するためには、
番号、トグルスイッチ、又はポップアップメニューを押
す。データ及び二つのポップアップメニューを入力する
ための４つの主区域がある。
データ入力区域は燃料、空気、濃度及びベンチ特性に
対するものである、燃料データ入力区域には、現在使用
している燃料に対してｘ、ｙ及びｚの値を打ち込むこと
ができる。この区域は未使用の燃料及び排気を入力する
ウインドウを含む。
空気データ入力区域は湿度、周囲O2、N2及びCO2、並
びに空気のグラム分子量及びＫ値を入力出来るようにな
っている。
濃度データ入力区域は計算に用いられる各種の分析器
の構成要素を含んでいる。表示される構成要素は使用さ
れている計算の形式に依存する。残りの構成要素はTH
C、NOx及びO2である。各構成要素に対してシステム分析
器によって測定した濃度を用いることも出来、或いは固
定値を入力することも出来る。測定した濃度を用いるた
めには、トグル・ボタンが「meas」を読むまで、これを
押す。固定値を用いることを望む場合は、トグル・ボタ
ンが「set」を読むまで、これを押す。ボタンが「set」
を読むと、濃度は黄色の数字で表される。数字を押して
編集する。THCとNOxについては、もしシステムが両方の
形式の分析器を含んでいるならば、熱又は冷分析器を用
いるように選択すれはよい。冷分析器は、過剰の水を除
去するためチラーを通過したガスだけを読取る。冷分析
器を選ぶとwet/dryトグルから「dry」を選択する。加熱
された分析器には、「wet」の選択をする。もしシステ
ムが分析器の一つの形式を含んでいないならば、それに
相当するトグル・ボタンは機能しない。
ポップアップ・メニューは基本的な計算形式と所望の
ラインとを選択するためのものである。計算形式はブレ
ットシュナイダー／スピント、NO O2（非O2）、サイモ
ン及びカスタム（Custom）を含む。これらの選択枝の一
つを選択することによって、パネルは選択された計算形
式の一定のパラメータに自動的に適応する。ブレットシ
ュナイダー／スピントに対しては、計算はO2に対する測
定値及び水／ガス均衡に対する想定値、Ｋを用いる。No
O2計算の測定はO2が測定されない場合のものである。
この計算形式は空気／燃料比を計算するために出さなけ
ればならない酸素濃度を見積もる。サイモン選択では酸
素に対する測定された濃度を用いるが、Ｋに対する値を
想定しない。この計算法はＫ値が触媒によって変更され
ることがある場合の後触媒測定に対して有用である。カ
スタム選択は独自の計算の要件を出すためのモードを提
供する。
空気／燃料比を計算するアルゴリズムについての詳細な
説明 最初に理想的な完全燃焼の方程式を考える。これは一
定の燃料を燃やすために用いられる酸素（又は空気）の
化学量論的な量を計算するための基礎である。この量を
用いてノーマライズされた空気／燃料比、ラムダ（或い
はphi、ラムダの逆数）を計算する、そしてこの方程式
は実際の燃焼を記述するための実際的化学方程式へ向か
う良好なスタートとなるものである。
CxHyOz＋O2→CO2＋H2O もしこの反応において炭素、水素及び酸素のモル量を
均衡させるならば、均衡方程式は次のように書かれる。
そこで、燃焼が完全であり、かつ反応物の混合物が化
学量論的な場合は、所要の酸素のモルは となる。
理想的でない状況を説明するためにこの方程式を変更
する場合は、実際の燃焼及び出て来る排気ガスの組成を
極めて良く模範にする（これに倣す）ことが出来る。
非理想的な状況の第一のものは燃焼空気の実際の組成
である。空気は酸素と窒素との単純な混合物であるとし
ばしば想定されている。実際には、空気は測定できる量
の他のガスも含んでいる。空気中には約1.8％のアルゴ
ンと0.035％のCO2がある。不活性ガスは燃焼には携わら
ず、反応しないN2と一緒に塊にすることができる。存在
するCO2は少量であるが、それを無視すると0.2％のエラ
ーを生ずる。理想化された乾燥空気及び燃料の燃焼を表
す方程式としては、下記の式（空気中の酸素の濃度を2
0.95％と想定して）を用いる。
実際の燃焼の一般的なケースに対しては、化学量論的
な量よりも多少なりとも酸素（空気）のモルがある。こ
の場合、燃焼化学を記述するためにはラムダ計数、過剰
酸素係数或いは正常化された空気／燃料比、が用いられ
る。それは化学量論的な量に対して実際に用いられる酸
素のモルの比である。
時にはまだ用いられている、大量空気／燃料比AFは、
たとえその値が燃料の形式に依存するとしても、下記の
簡単な方法でラムダから計算することが出来る。
そこで、実際の、測定された排気ガスの濃度から空気
／燃料比を計算するためには、燃焼で実際に用いられた
酸素の量ｎを計算する必要がある。これをするために
は、燃焼に対する一層実用的な化学方程式、即ち上に示
した理想化された式の下記の欠点についても説明をした
もの、を必要とする。
1.周囲の空気中には通常約１パーセントの水がある。こ
の水は、燃焼室内のピーク温度を変えることによって、
またCO2、CO、H2O、及びH2の間の（下記の）水−ガス均
衡における均衡濃度に変化を与えることによって、燃焼
に影響を与える。ブレットシュナイダーの式は水に対す
る項を含んでおり、また三菱による研究は結果を観察し
かつ測定した。もし空気中の水の測定が絶対湿度（g/kg
乾燥空気）として得られるならば、下記のようになる。
2.燃焼温度で、そして特に十分な酸素の欠如があるなら
ば、CO2とH2Oとは解離して幾らかのCOと幾らかのH2とを
生成する。
3.燃料の総てが燃焼するわけではない。その内の幾らか
は排気中で炭化水素として変化した形になる。また、混
合物が少ない場合は、排気中に過剰のO2がある。
4.周囲の空気から出た窒素の幾らかは燃焼室中の高い温
度及び圧力で反応してNO及びNO2を生成する。これらの
反応はNOの生産を大きく向上させる。排気の測定では、
通常両方を測定して値をNOxとして表す。ここでも同じ
ことが行われて、結果は化学的にNOとして働くと想定さ
れる。
5.幾らかのCO2が既に空気中にある。このことは計算さ
れた結果には非常に小さい影響（0.2％）しか与えない
が、このことはそれ相応に良く知られているものとして
説明できる。また、このことが空気の構成成分をパラメ
ータとして表すのに役立つ。異なった研究者が用いる燃
焼空気中のO2、N2及びCO2の割合には通常小さい差があ
る。これらを式中の他の定数と組み合わせることによっ
てそれらのアイデンティティを失わせるよりは、それら
をパラメータとして取り入れてこれらの差異を設ける方
が良い。これを行うには、下記の空気組成係数を取り入
れる。
6.濃度は、クーラー又は熱交換器で試料から水を除去し
た後に、無水ベースで測定されることが多い。しかし、
水のすべてが除去されるわけではない。クーラーの温度
に基く小さい補正を必要とする。
上述の争点に対応する項を含んだこの燃焼に対する不
均衡化学方程式は、 CxHyOz＋Ｎ（O2＋Ａ・N2＋Ｂ・CO2＋Ｃ・Habs・H2O）→ aCO2＋bCO＋cH2＋dH2O＋eO2＋fN2＋gNOx＋hCｘ′Ｈ
ｙ′Ｏｚ′ ｎを計算することが出来るようにするためには、この
式を均衡させることによって未知のモル量に対する一組
の式を得る。我々は５つの式を書く、即ちそれらは４つ
の原子均衡（C,H,O,N）及び合計モル均衡である。
炭素均衡:x＋ｎ・Ｂ＝ａ＋ｂ＋x'・ｈ （３） 水素均衡:2・ｎ・Ｃ・Habs＋ｙ＝２・ｃ＋２・ｄ＋y'・ｈ （４） 酸素均衡:z＋2n＋2n・Ｂ＋ｎ・Ｃ・Habs＝2a＋ｂ＋ｄ＋2e＋ｇ＋z'・ｈ （５） 窒素均衡:2・ｎ・Ａ＝2f＋ｇ （６） 合計モル（乾）均衡:ntot＝ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ （７） 通常HC、CO、CO2及びNOxの濃度を測定する。濃度はモ
ルの端数である。それらは通常無水ベースで、即ち、大
部分の水が試料から除去された後に、測定される。それ
らは下記の関係によってモル量に関係付けることが出来
る。（nH2Ocoolerは試料がクーラーから出た後に試料に
残った水のモルである）。
ガスがクーラーから出た後に残った水を補正するため
には、クーラーの温度での水の蒸気圧力を用いることが
出来る。これは、 となる。
そこで、例えばCO2の場合は、 人は、FIDによって測定したように、［HC］は常に合
計炭化水素濃度であるという慣習を採用する。それゆ
え、この構成要素に対しては、 ｈ＝［HC］・（ntot＋nH2Ocooler）/x' もしHCが乾燥（dry）と測定されれば、クーラーの補
正条件を上記のように適用することが出来る。もしそれ
が加熱された計器で湿潤（wet）と測定されれば、その
代り排出物中の水のモルを含めなければならない。
ｈ＝［HC］・（ntot＋ｄ）/x' （９） 上の最初の式はその濃度が常に測定されている既知の
パラメータ及びモル量、即ちCO2、CO及びHCだけを含ん
でいるから、それを用いてntotを計算することが出来
る。
そこで、今では４つの未知のもの、ｎ、ｃ、ｄ、及び
ｆと、残りの４つの式がある。
酸素の均衡はｎに対する便利な解決を与える。即ち、 この時点では、ｎそしてそれゆえラムダに対して回答
するために、ｄ即ち水のモル、に対する式を作り出すこ
とが必要とするだけである。スピントとブレットシュナ
イダーの方法がサイモンの方法と異なるのも、この点で
ある。これらのアプローチの相違はｄを計算するために
用いられる技術の相違として単純に見ることが出来る。
ブレットシュナイダー及びスピントは別の化学反応であ
る、水／ガス反応を用いており、サイモンは残りの二つ
の式、即ち窒素均衡と合計モル均衡とを用いている。
空気と燃料との豊富な混合物の燃焼中に排気シリンダ
ー内の高い温度及び圧力で、混合物中のCO2及びH2Oは解
離して、幾らかのH2及び幾らかのCOを作り出す。これは
水／ガス反応に対する下記の化学式によって記述され
る。これらの種はこの反応の平衡定数、Ｋによって記述
される平衡に達する。平衡は燃焼温度に依存する。ガス
がシリンダーから出るとき冷却されると、相当部分は平
衡濃度で凍結する。
CO2＋H2→CO＋H2O 平衡は次の式で記述される、即ち 値は燃焼温度に依存する。1700Kに対しては、理論値
は3.388である。3.5及び3.8の値はこの理論と観察との
間に良好な整合を作るものとして文献に記述されてい
る。触媒の差設も同様にＫに対する有効値を変化させる
と認められている。このことは驚くに当たらない、何故
ならば触媒は低温度で燃焼を継続させてCOをCO2に変換
するからである。
次に、水素の均衡から、水素モル、ｃの式を得ること
が出来る。
これを均衡状態に代入すると、水のモルに対して下記
の式が得られる。
また別のアプローチはサイモンによって記述されてい
る。この方法は窒素とモル均衡とを用いてｄを見出す。
窒素の均衡から： これをモル均衡に代入すると： 次に、酸素均衡からｎの式を置換して条件を再整理す
れば： 水素モルに対する式12を置換して下記の代数による簡
素化を得ることが出来る。
もし水ガス均衡からｄが解っていれば、その代りに、
同様の方法を用いて酸素濃度ｅを計算してもよい。これ
は酸素濃度が測定されない場合に有用である。これは第
三形式のA/F計算、パイケン（Piken）及びルーフ（Rou
f）型の背後にある考えである。
もしｅもｄも共に測定から既に得られているならば、
そしてもし水ガス均衡用の定数を想定していれば（ブレ
ットシュナイダー／スピンド型の方法）、窒素及びモル
均衡の式を用いてクオリティナンバー（quality numbe
r）を計算することが出来る。燃焼に対して用いた周囲
の空気の実際のO2濃度（乾燥した空気に関係するもの）
を計算することが最も自然である。
窒素の均衡から： これをモル均衡に代入すれば： これから、周囲の空気中の酸素の濃度を計算する： これは周囲の酸素濃度の想定された値に等しい定数と
なるべきである。もしそれとは異なるならば、それは測
定のエラーがあることを示すものである。それはまた、
測定された値の正しい時間整合を証明するためにも用い
ることが出来る。それは、例え車が駆動サイクルを通じ
て加速及び減速されても変化するべきではない。
この時点で、上記の方程式に概示された計算について
二つの注意をすることが重要である。第１は、上記の幾
つかの式は短縮して結合して一つのより大きい式にする
ことができることである。これは、これらの方法を飽き
飽きする手動の計算のために作成しなければならなかっ
た過去の時代によく行われた。しかし、これは、高性能
のコンピュータが机上に又は懐中にあり、そして便利な
スプレッドシートが計算を行う今日では殆ど必要が無
い。代数的に簡素化した処理は、エラーをし易いこと
と、条件の物理的な解釈を隠すことである。
第２に、上記の方程式は循環性である。ｎの計算はｄ
に依存し、それはまたｎに依存する。通常は無視される
ほど小さな幾つかの状態が含まれるとき、循環性が生じ
る。勿論、これは極めて多くの代数によって解決出来よ
う、そしてまたｎに対して極めて複雑な閉じた形の等式
を書くことも出来よう。しかし、これは必要でない。固
定点反復を用いることが遥かに容易である。ｎに対する
最初の値を想定してこれを用いてｄを計算し、そしてそ
の後別のｎを計算する。ｎに対する新しい値がもはや大
きく異ならなくなるまでこれを繰り返す。ほんの数回の
反復をした後にこれが典型的に起こる。
さて、第２図について述べると、排出物から空気／燃
焼比を計算するためのアルゴリズムである、フローチャ
ート様式がブロック図で示されている。
最初に、HC又はNOxが得られていないときは何時で
も、使用者は使用者が供給したデフォルト又はゼロを濃
度に対して適用する。
ブロック30では、たとえば排出物採取器16によって、
排出物の例を採る。
ブロック32では、試料中の排気ガスの濃度が測定さ
れ、そして相当する排気ガス濃度データが分析器18など
によって与えられる。
ブロック36では、使用した酸素と燃焼工程で作り出さ
れた水の量とに対する最初の値が与えられる。
ブロック38では、上記式10によって示されるような排
気ガス濃度データと最初の酸素値とに基づいて試料中の
排気ガスの合計量が計算される。
ブロック40では、等式８及び９によって試料中の排気
ガス濃度データと試料中の排気ガスの合計量とに基づい
て二酸化炭素と合計炭化水素のモル端数が計算される。
ブロック42では、選択された計算形式、最初の酸素の
値、及びモル端数に基づいて中間の水の値が計算され
る。選択された計算形式は式13のブレットシュナイダー
Ｋ式であってよい。もし酸素測定が得られない場合は、
この式から計算された水のモル数を用いて式15によって
計算する。
或いは、式12からｃを計算した後に式14のサイモンの
式から水のモル数を計算することも出来る。
ブロック44では、式11によって示されるように、中間
の水の値とモル端数とに基づいて中間の酸素値を計算す
る。
ブロック46では、中間の酸素値を最初の酸素値から差
引いて、その差を所定の量と比較する。もしその差が所
定の量よりも大きい場合は、ブロック48で示されるよう
に、先ず最初の酸素値に等しい最初の酸素値を作った後
にブロック38を再入力する。
その差が比較的小さい場合は（即ち、所定の量よりも
少ないか又はこれと等しい場合）、ブロック50を入力し
て中間酸素値を最終酸素値として測定する。
ブロック51では、正常化された空気／燃料比、λ、
を、式１によって最終酸素値に基づいて計算する。
マス（mass）空気／燃料比を望む場合は、それは式２
に従ってブロック51で以前に計算された正常化された空
気／燃料比に基づいてブロック52で計算する。
ブロック54では、最終酸素値に基くクオリティナンバ
ーを式16に従って計算する。
ブロック56では、所望の形式の空気／燃料比をモニタ
ー26に表示する。
ブロック58では、クオリティナンバーをモニター26に
表示する。
或いは、下記の番号をつけた記述によってアルゴリズ
ムを表すことも出来る。
1.nに対して最初の値1.0を、またｄに対して最初の値1.
0を想定する。
2.式10に従ってHC、CO、及びCO2濃度からntotを計算す
る。式８及び９によって濃度及びntotからモル端数を計
算する。
3.下記の一つから水のモル数、ｄ、を計算する。即ち、 ブレットシュナイダーＫ式、式13。もし酸素の測定が出
来ない場合は、このｄを用いて式15によってｅを計算す
る。
又は、式12からｃを計算する。次にサイモン式からｄ
を計算する、式14。
又は、想定された固定値。
5.合計酸素モルからｎを計算する、式11。
6.これをｎについて古い値と比較する。もし差が小さい
ときは、次の段階へ行く。そうでなければ、後戻りして
繰り返す、段階２のntot計算から始める。
7.nが計算されれば、式１のn/n02からラムダを計算す
る。
8.マス比（mass ratio）を望むときは、それを式２に従
って計算する。
9.式16に従ってクオリティナンバーを計算する。
本発明の方法及びシステムによって下記の特定の計算
形式が考えられる。
ブレットシュナイダー／スピント 水／ガス均衡定数,Kに対する測定された酸素及び想定
された値を用いる。古い方の、また最も一般的に用いら
れている式の一つ。A/Fに加えて、クオリティナンバー
を計算して測定誤差の大きさを計ることも出来る。
NO O2 O2を測定しない場合に用いる。それは、A/Fを計算す
るために存在しなければならないO2を予想する。
サイモン 測定された酸素を用いるが、均衡定数、Ｋ、の値を想
定しない。Ｍの値が良く知られておらず、また触媒によ
って変えられているかも知れない場合の、後触媒測定に
有用である。
発明を実施するための最良の態様を詳細に説明した
が、本発明が関係する技術に挿通する者は下記のクレー
ムによって定義されたところにより発明を実施するため
の種々の代替の設計並びに態様を認めるであろう。
フロントページの続き (56)参考文献 米国特許4751907（ＵＳ，Ａ) 米国特許5231864（ＵＳ，Ａ) 米国特許5323635（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 15/00 F02D 45/00 368 F02D 45/00 370

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその
    排出物からコンピュータにより測定する方法であって、
    その方法は 作動中のエンジンから排出物の試料を採取して排気ガス
    と水とを得て、 試料中の排気ガスの濃度を測定して相当する排気ガスの
    濃度データを与え、 コンピュータを含むコンピュータ・システムに保存され
    ている所定の計算形式の組みから計算形式を選択し、 選択された計算形式と排気濃度データとに基づいて燃焼
    工程で作られた水の量をコンピュータで計算し、 燃焼工程で作られた水の量と排気ガス濃度のデータとに
    基づいて燃焼工程で使用された酸素の量をコンピュータ
    で計算し、 酸素の計算された量に基づいて空気／燃料比をコンピュ
    ータで計算し、 コンピュータに結合された表示部に空気／燃料比を表示
    する 工程から成るもの。
  2. 【請求項２】排出物の試料は酸素ガスを含み、またその
    方法は更に試料中の酸素ガスの濃度を測定して相当する
    酸素ガス濃度のデータを与える工程から成る、請求項１
    の方法。
  3. 【請求項３】一組の計算形式は酸素ガス濃度データを利
    用するブレットシュナイダー計算方式を含む、請求項２
    の方法。
  4. 【請求項４】一組の計算形式は酸素ガス濃度データを利
    用するサイモン計算方式を含む、請求項２の方法。
  5. 【請求項５】一組計算形式は非02計算形式を含む、請求
    項１の方法。
  6. 【請求項６】試料を採取する工程の後でかつ排気ガスの
    濃度を測定する工程の前に試料から水を除去する工程を
    更に含む、請求項１の方法。
  7. 【請求項７】エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその
    排出物からコンピュータにより測定する方法であって、
    その方法は イ）作動中のエンジンから排出物の試料を採取して排気
    ガスと水とを得て、 ロ）試料中の排気ガスの濃度を測定して相当する排気ガ
    スの濃度データを与え、 ハ）コンピュータを含むコンピュータ・システムに保存
    されている所定の計算形式の組みから計算形式を選択
    し、 ニ）燃焼工程で用いた酸素の量及び燃焼工程で作りださ
    れた水の量の夫々に対する最初の酸素及び水の値をコン
    ピュータ・システムに与え、 ホ）排気ガスの濃度のデータ及び最初の酸素値に基づい
    て排気ガス濃度をコンピュータで計算し、 ヘ）選択された計算形式、最初の酸素値、及び排気ガス
    濃度に基づいて中間の水値をコンピュータで計算し、 ト）中間の水値に基づいて中間の酸素値をコンピュータ
    で計算し、 チ）中間の酸素値と最初の酸素値とをコンピュータで比
    較して異なった値を得て、 リ）もし差異の値が所定の値よりも大きいならば工程
    ホ）乃至チ）を反復して、最初の酸素値を中間酸素値に
    変更し、 ヌ）もし差異の値が所定の値以内であれば中間の酸素値
    を最終酸素値としてコンピュータで測定し、そして オ）最終酸素値に基づいて空気／燃料比をコンピュータ
    で計算する、 工程を含むもの。
  8. 【請求項８】エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をその
    排出物から測定するシステムであって、そのシステムは 作動中のエンジンから排出物の試料を採取して排気ガ
    スと水とを得るサンプラーと、 試料中の排気ガスの濃度を測定して相当する排気ガスの
    濃度データを与える分析器と、 所定の計算形式の組みから計算形式を選択する手段と、 選択された計算形式と排気ガス濃度のデータとに基づい
    て燃焼工程で作られた水の量を計算する手段と、 燃焼工程で作られた水の量と排気ガス濃度のデータとに
    基づいて燃焼工程で使用された酸素の量を計算する手段
    と、 酸素の計算された量に基づいて空気／燃料比を計算する
    手段と、 空気／燃料比を表示する手段と から成るもの。
  9. 【請求項９】排出物の試料は酸素ガスを含み、またその
    システムは更に試料中の酸素ガスの濃度を測定して相当
    する酸素ガス濃度のデータを与える分析器を含む、請求
    項８のシステム。
  10. 【請求項１０】一組の計算形式は酸素ガス濃度データを
    利用するブレットシュナイダー計算方式を含む、請求項
    ９のシステム。
  11. 【請求項１１】一組の計算形式は酸素ガス濃度データを
    利用するサイモン計算方式を含む、請求項９の方法。
  12. 【請求項１２】一組の計算形式は非02計算形式を含む、
    請求項８の方法。
  13. 【請求項１３】更に試料から水を除去する手段を含む、
    請求項７のシステム。
  14. 【請求項１４】エンジンの燃焼工程の空気／燃料比をそ
    の排出物から測定するシステムであって、そのシステム
    は 作動中のエンジンからの排出物の試料を採取して排気ガ
    スと水とを得るサンプラーと、 試料中の排気ガスの濃度を測定して相当する排気ガスの
    濃度データを与える分析器と、 所定の組みの計算形式から計算形式を選択する手段と、 燃焼工程で用いられた酸素の量と燃焼工程で作られた水
    の量とに対して最初の酸素及び水の値を与える手段と、 排気ガスの濃度データと最初の酸素値とに基づいて排気
    ガス濃度を計算する手段と、 選択された計算形式、最初の酸素値、及び排気ガス濃度
    に基いて中間の水の値を計算する手段と、 中間の水の値に基づいて中間の酸素の値を計算する手段
    と、 中間の酸素の値を最初の酸素の値と比較して差値を得る
    手段と、 もし差値が所定の値よりも大きいならば、最初の酸素の
    値を中間の酸素値に変更する手段と、 もし差値が所定の値以内であれば、中間の酸素値を最終
    的な酸素値として決定する手段と、 最終的酸素値に基いて空気／燃料比を計算する手段と から成るもの。
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