JP3411348B2

JP3411348B2 - Exhaust component concentration detector

Info

Publication number: JP3411348B2
Application number: JP26846393A
Authority: JP
Inventors: 誠二岡田; 雅友隅本; 祥一丸屋
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH07103895A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関から排出され
る排気ガスの成分濃度を検出する排気成分濃度検出装置
に関するものである。【０００２】【従来技術】ガソリン、軽油、重油、天然ガス、メタノ
ールを燃料にする内燃機関にあっては、燃焼後の排気ガ
ス中に、水蒸気、二酸化炭素の他、窒素酸化物（ＮＯX
）、硫黄酸化物、更には酸素、未燃化炭化水素（Ｈ
Ｃ）等が含まれる。排気ガスに含まれるこれらの諸成分
（少なくとも酸素及び水蒸気を除く）は、大気汚染の主
なる原因をなすものであり、昨今排出量の低減が叫ばれ
ているものの、ガソリン機関で見られる窒素酸化物等の
対策の他には効果的な対策が行われていないのが現状で
ある。【０００３】ガソリン機関での対策として、実開昭６３
ー４６６４３号公報には、排気ガス中のＣＯ濃度により
空燃比を制御する手法が開示されているが、一般的に
は、排気系に配設した酸素濃度センサーによって、機関
に吸気されるガソリンと空気の割合、つまり空燃比を間
接的に検出し、これにより、空燃比を制御することによ
って窒素酸化物、硫黄酸化物、燃焼炭化水素の低減を行
うと共に、三元触媒を用いてこれら排気ガス成分の分解
を図っている。【０００４】【発明が解決しようとする課題】しかし、従来一般的な
酸素濃度センサーは、酸素濃淡電池を機能の中心に置い
ており、その出力は、酸素欠乏状態で「オフ」、酸素過
多状態で「オン」となる。このため、燃料消費の低減に
よる二酸化炭素の排出低減を図る一つの手法として希薄
燃焼技術の確立が急務となっているが、現実のシステム
では、理論空燃比での制御では有効であるもののリーン
空燃比でのエンジン制御に対応できないという問題を有
している。また、幅広い要求負荷に対応する必要がある
自動車用エンジンにあっては、幅広い空燃比制御を行う
必要があるが、従来一般的な酸素濃度センサーでは対応
できないという問題を有している。しかも、酸素濃度セ
ンサーと触媒との作動条件が高い温度を要求するもので
あるため、冷間始動時での排気浄化に問題を有してい
る。その一方、燃焼の結果排出される排気ガスは、燃焼
の状況を示すものであり、燃焼状態の制御、排気浄化あ
るいは排気浄化のための必要運転状態の形成のために
は、何よりも先ず排気成分濃度を知ること必要となる。
そこで、本発明の目的は、内燃機関から排出される各種
ガス成分をリアルタイムで検出するようにした排気成分
濃度検出装置を提供することにある。【０００５】【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明にあっては、特定波長の光を照射する照射手段
と、該照射手段からの入射光を検出する受光手段とが、
エンジンの排気通路を挟むようにして配設されると共
に、ランバ−ト・ベ−ルの法則による関係式に基づき、
特定の検出ガス濃度を算出する算出手段が備えられ、前
記算出手段が、第１算出手段と第２算出手段とを備え、
前記第１算出手段が、排気中のＣＯ₂成分濃度［ＣＯ₂］
とＨ₂Ｏ成分濃度［Ｈ₂Ｏ］との比［ＣＯ₂］／［Ｈ₂Ｏ］
を算出するように設定され、前記第２算出手段が、前記
第１算出手段の算出による［ＣＯ₂］／［Ｈ₂Ｏ］に基づ
き、空燃比λが理論空燃比λ₀よりも小さい領域か否か
を判断し、空燃比λが理論空燃比λ₀よりも小さい領域
であると判断したときには、ＣＯ₂成分濃度［ＣＯ₂］を
算出すると共に、該ＣＯ₂成分濃度［ＣＯ₂］を用い、下
記式［ＣＯ₂］＝Ａ−Ｂ（λ₀−λ）但し、Ａ、Ｂは
定数に基づき、前記空燃比λをも算出し、空燃比λが理論空
燃比λ₀よりも大きい領域であると判断したときには、
ＣＯ₂成分濃度［ＣＯ₂］を算出すると共に、該ＣＯ₂成
分濃度［ＣＯ₂］を用い、下記式［ＣＯ₂］＝Ａ／（Ｂλ＋Ｃ）但し、Ａ、Ｃは
定数に基づき、前記空燃比λをも算出するように設定されて
いる、ことを特徴とする排気成分濃度検出装置とした構
成としてある。【０００６】上述の構成により、流れに光を照射する
と、成分ガス固有の波長をもつ光が吸収され、その際の
吸収量が成分ガス濃度に依存することが、排気ガス成分
において適用されることになる。このため、内燃機関か
ら排出される各種ガス成分をリアルタイムで検出するこ
とができることになる。【０００７】【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。気
体の化学種と濃度の検出法には、いくつかの方式があ
り、代表的なものには、表１に示すものがある。【０００８】【表１】【０００９】上記表１に示した各種ガス分析法のなか
で、リアルタイムでの分析或いは分析装置を小型化でき
ること、温度その他の影響が小さいこと等の条件を満た
す方法としては、吸収スペクトルを用いる方式が最適で
あり、その吸収スペクトルを用いるものの中でも、最も
構造が簡単で且つ小型化の可能性を有するものとして
は、光化学的吸収スペクトルを用いる方式がある。この
方式は、検出ガスに或る波長の光（紫外、可視、赤外）
を照射すると、特定波長の光が吸収されることに着目
し、吸収波長を検出することによってガスの化学種を決
定すると共に、吸収強度から濃度を決定しようとするも
のである。【００１０】本実施例に係る装置には、上記光化学的吸
収スペクトルを用いる方式が適用されており、該装置に
おいては、図１に示すように、エンジンの排気通路１を
挟むようにして、照射手段２と受光手段としての受光素
子３とが配設されると共に、算出手段としての算出装置
６が備えられている、【００１１】上記照射手段２は、光源４とプリズム５と
からなっており、該照射手段２により特定波長の光（図
１中、矢印で示す）が排気通路１中の排気ガス（図１
中、矢印で示す）に対して照射されることになってい
る。上記照射手段２が照射する光の特定波長としては、
内燃機関の排気ガスを構成するガスの吸収波長が選択さ
れており、それは、具体的には、表２に示すものとなっ
ている。【００１２】【表２】【００１３】上記照射手段２による照射は、例えば、上
記表２に示す特定波長６００、４００、３４０、２９
０、２６０、２５５、２２５、２１５、２１１、１９
２、１９０、１８２、１４９、１４８、１４６、１３
３、１２８、１１２ｎｍのいずれか一つもしくは複数を
順次、或いは同時に行われる。また、別の態様として、
排気ガス中のガス成分毎に特定波長のグル−プ分け、す
なわち、酸素に関して、特定波長が６００、２５５ｎｍ
からなる第１グル−プ、窒素酸化物に関して、特定波長
４００、２１５、１８２、１４６、１２８、２２５、３
４０、２６０ｎｍからなる第２グル−プ、硫黄酸化物に
関して、２９０、１９２、１４９、２１１ｎｍからなる
第３グル−プ、炭素酸化物に関して、１９０、１４８、
１３３、１１２ｎｍからなる第４グル−プを形成し、そ
の各グル−プの中から一つの特定波長をそれぞれ選択
し、その選択された特定波長の一つもしくは複数を照射
するようにしてもよい。【００１４】上記受光素子３は、前記照射手段２からの
照射光を排気ガスを経て入射光として検出するものであ
って、照射手段２からの照射光強度Ｉ₀ の光が排気ガス
中の特定排気成分に吸収されて変化した入射光強度Ｉを
検出しようとするものである。【００１５】上記算出装置６は、照射手段２の照射光強
度Ｉ₀ 、受光素子３が検出する入射光強度Ｉ等を入力条
件として、ランバ−ト・ベ−ルの法則（Lambert-Beerの
法則）による関係式に基づき、特定の検出ガス濃度を算
出することになっている。すなわち、ランバ−ト・ベ−
ルの法則によれば、波長Λの光が気体の中を通過する
際、排気ガス中の各物質（排気ガス成分）によって吸収
を受け、照射光強度Ｉ₀ の強度がＩ（入射光強度）にな
ったとすると、下記関形式が成立する。【００１６】εｃｄ＝log （Ｉ₀ ／Ｉ）・・・（１）ここで、ｄは光の通過距離（一定）、ｃは気体の濃度、
εは吸光係数を示す。εは物質（排気ガス成分）と光の
波長によって決まる係数である。表２の括弧内には、各
ガスの吸収波長におけるε（単位dm3/mol・cm）の対数値
を示してある。このため、算出装置６は、上記関係式
（１）に基づき、Ｉ₀ ／Ｉを知ることによって各ガス成
分の濃度ｃを求めることになっている。【００１７】したがって、上記第１実施例においては、
内燃機関から排出される各種ガス成分をリアルタイムで
検出することができることになる。【００１８】次に、第２実施例について説明する。この
第２実施例は、ＣＯ₂ をリアルタイムで検出できるよう
にすると共に、空燃比が理論空燃比より小さい領域にお
いて、排気ガス中のＣＯ₂ 濃度が空燃比に対して線形関
係を有することを利用し、当該領域で、ＣＯ₂ 濃度を検
出することにより空燃比を連続的に検出するものであ
る。【００１９】先ず、燃焼反応に着目した場合、ガソリン
は数多くの炭化水素から構成されており、その平均分子
式はＣn Ｈm と記述することができるが、ここでは、空
燃比を理論空燃比以下に設定する場合を取り扱うので、
燃焼に伴う化学変化は下記の式（２）のようになる。【００２０】Ｃn Ｈm ＋〔｛２（２μ＋１）ｎ＋（μ＋１）ｍ｝／４（μ＋１）〕０₂ → ｛ｎμ／（１＋μ）｝ＣＯ₂ ＋｛ｎ／（１＋μ）｝ＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ₂ Ｏ・・・（２）但し、μは発生二酸化炭素と一酸化炭素のモル比を表
す。【００２１】燃焼の程度によって一酸化炭素ＣＯの発生
する確率は、空燃比によってほぼ一義的に決定できるこ
とが知られている。空燃比λが理論空燃比λ₀ に対して
λ≧λ₀ であれば一酸化炭素は発生しないから、λ＝λ
₀ において一酸化炭素濃度［ＣＯ］は、［ＣＯ］＝０と
なることが必要である。従って、［ＣＯ］は近似的に下
記式（３）で表現できると仮定する。【００２２】［ＣＯ］＝ΣＥ（ｋ）（λ₀ −λ）・・・（３）【００２３】一方、未燃化炭化水素ＨＣは、λ＜λ₀ に
おいて顕著に発生し、λ≧λ₀ では発生しなくなるか
ら、未燃化炭化水素濃度［ＨＣ］についても、下記式
（４）の如く、一酸化炭素と同様の近似的関係が成り立
つと仮定する。【００２４】［ＨＣ］＝ΣＦ（ｋ）（λ₀ −λ）・・・（４）【００２５】また、二酸化炭素濃度［ＣＯ₂ ］に関して
は、反応の前後において炭素原子の量は不変であるか
ら、下記の（５）式が成立する。【００２６】ｄ［ＣＯ₂ ］＋ａｄ［ＣＯ］＋ｂｄ［ＨＣ］＝０・・・（５）ここで、ａ、ｂは未燃化炭化水素、一酸化炭素、二酸化
炭素、水蒸気等反応に関与する化学種の濃度、言い換え
れば空燃比λの関数と考えられる。これにより、下記
（６）式が求められる。【００２７】［ＣＯ₂ ］＝Ｌ−∫（ａｄ［ＣＯ］＋ｂｄ［ＨＣ］）・・・（６）但し、Ｌは積分定数である。【００２８】上記（６）式において、ａ、ｂを定数と
し、（３）、（４）式における［ＣＯ］、［ＨＣ］に関
し、二次以上の項を無視して、該（６）式に代入する
と、［ＣＯ₂ ］は下記（７）式となる。【００２９】［ＣＯ₂ ］＝Ｌ−｛ａＥ（１）＋ｂＦ（１）｝（λ₀ ーλ）・・・（７）【００３０】したがって、上記（７）式を一般化すれ
ば、下記（８）式となる。［ＣＯ₂ ］＝Ａ−Ｂ（λ₀ ーλ）＝Ａ−Ｂλ₀ ＋Ｂλ・・・（８）但し、Ａ＝Ｌ、Ｂ＝｛ａＥ（１）＋ｂＦ（１）｝であ
る。このことから、空燃比λが理論空燃比λ₀ より小さ
い領域においては、排気ガス中のＣＯ₂ 濃度［ＣＯ₂ ］
が空燃比に対して線形関係を示すことになり、これを利
用して、当該領域で、ＣＯ₂ 濃度を検出することにより
空燃比λを連続的に検出できることが理解できる。【００３１】より具体的に説明すれば、ガソリン（Ｃ：
Ｈ＝１：１．８３モル比）を用い、所定の空燃比でエ
ンジンの運転を行い、発生する一酸化炭素の濃度および
二酸化炭素の濃度をガスクロマトグラフィーにより測定
すれば、測定結果は、表３、図３に示す内容となる。【００３２】【表３】【００３３】したがって、上記図３、上記（８）式との
比較から明らかなように、図３の直線の勾配から係数Ｂ
が、また、その直線の切片からＡ−Ｂλ₀ を求めること
ができる。この場合、λ₀ ＝１４．４として最小二乗法
によって係数Ａ、Ｂを決定すると、その結果はを次式
（９）となる。【００３４】［ＣＯ₂ ］＝１５．４６ー１．４４（１４．４ーλ）(r=-0.977) ・・・（９）【００３５】上記（９）式に示すように、［ＣＯ₂ ］に
よって空燃比λを決定することができる。できる。【００３６】上記場合において、（３）、（４）式にお
ける［ＣＯ］等に関し、二次以上の項を無視して扱った
が、例えば、上記（３）式において、二次以上の項を無
視し、表３、図２のデ−タに基づき、［ＣＯ］とλの関
係を最小二乗法で求めると次式（１０）になる。【００３７】［ＣＯ］＝３４．３４ー２．３９λ ＝２．３９（１４．４ーλ）(r=-0.977) ・・・（１０）したがって、上記（３）式において、二次以上の項を無
視しても、λ₀ ＝１４．４となり、現実の値と良い一致
を示すことになり、排気ガス中の二酸化炭素濃度［ＣＯ
₂ ］から空燃比を（８）又は（９）式に基づいて決定す
ることは実用上問題はない。【００３８】一方、前述の（８）、（９）式におけるＣ
Ｏ₂ 濃度［ＣＯ₂ ］を検出することに関しては、ランバ
−ト・ベ−ルの法則が適用される。すなわち、ランバ−
ト・ベ−ルの法則によれば、混合気体が幅（直径）ｄの
流路中を流れているとき、その流れに直角に波長Λの光
を透過すると、成分ガス固有の波長をもつ光が吸収さ
れ、また、その際の吸収量は成分ガスの濃度に依存する
ことから、下記の（１１）式となる。【００３９】［ＣＯ₂ ］＝１００（ＲＴ／Ｐ）（１／εｄ）log （Ｉ₀ ／Ｉ）（％）・・・（１１）ここに、Ｐ：排気ガス圧(atm) Ｔ：排気温度（Ｋ）Ｒ：気体定数(0.082 l/K) ε：吸収波長に固有の値表４には二酸化炭素についての吸収波長Λと吸収係数ε
の値を示す。【００４０】【表４】【００４１】以上、ＣＯ₂ 濃度の検出においては、ＣＯ
₂ の濃度範囲、また検出部位の大きさによって検出波長
を設定できる。【００４２】具体的に、上記ＣＯ₂ 濃度の検出におい
て、排気温度Ｔ＝７３０（Ｋ）、排気圧Ｐ＝１．５（at
m ）、排気の流路幅ｄ＝３（cm）とすると、（１１）式
は次式（１２）となる。【００４３】［ＣＯ₂ ］＝１３３０（１／ε）log （Ｉ₀ ／Ｉ）・・・（１２）【００４４】また、表３、図３の結果から、１０≦［Ｃ
Ｏ₂ ］≦１５とすると、Ｉ／Ｉ₀ は次式（１３）で記述
できる。【００４５】０．００７５ε≦log （Ｉ／Ｉ₀ ）≦０．１１２８ε ・・・（１３）【００４６】これに表４に示した各εの値を代入する
と、表５のようになる。【００４７】【表５】【００４８】すなわち、検出精度の限界から考えて、ε
＝０．３８、１８２．０、３３８．８が適用でき、さら
に言えば、ε＝０．３８、１８２．０が最適と言える。【００４９】次に、第３実施例について説明する。この
第３実施例は、ＣＯ₂ をリアルタイムで検出できるよう
にすると共に、空燃比が理論空燃比より大きい領域にお
いて、排気ガス中のＣＯ₂ 濃度が空燃比に対して線形関
係を有することを利用し、当該領域で、ＣＯ₂ 濃度を検
出することにより空燃比を連続的に検出するものであ
る。【００５０】先ず、前記第２実施例同様、燃焼反応に着
目した場合、本実施例においては、空燃比を理論空燃比
以上に設定することから、ガソリンの燃焼反応は、下記
の反応式（１４）で示される。【００５１】Ｃn Ｈm ＋〔（４ｎ＋ｍ）／４〕Ｏ₂ → n ＣＯ₂ ＋（ｍ／２）Ｈ₂ ０・・・（１４）【００５２】（ａ）投入混合気が理論空燃比の場合投入する空気と燃料の重量をＷ1 、Ｗ2 とすると理論空
燃比λ₀ は次のようになる。【００５３】λ₀ ＝Ｗ1 ／Ｗ2 ・・・（１５）【００５４】また、燃焼に際して反応する炭化水素と酸
素のモル比は、１：｛（４ｎ＋ｍ）／４｝であるから、次式（１６）が成り立つ。【００５５】〔Ｗ2 ／（１２ｎ＋ｍ）〕：〔Ｗ1 ／（３２＋２８γ）〕＝１：（４ｎ＋ｍ）／４・・・（１６）ここに、γは空気中の窒素と酸素のモル比を示す。【００５６】式（１５）と式（１６）よりλ₀ は、次式
（１７）で示すことができる。【００５７】 λ₀ ＝（８＋７γ）〔（４ｎ＋ｍ）／（１２ｎ＋ｍ〕・・・（１７）【００５８】（ｂ）空燃比が理論空燃比を越える（リー
ン空燃比）場合リーン空燃比の場合、燃料は全て燃焼し、酸素（空気）
は余剰となって排気ガスに残留する。いま、空燃比λを λ＝Ｗ1 ／Ｗ2 ・・・（１８）として、排気ガス中の酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気
の発生量をモル単位で表すと以下の通りになる。【００５９】酸素の量＝（λーλ₀ ）Ｗ1 ／４Ｋ但し、Ｋ＝８＋７γ ・・・（１９）窒素の量＝λγＷ1 ／４Ｋ・・・（２０）二酸化炭素の量＝n Ｗ1 ／（１２ｎ＋ｍ）・・・（２１）水蒸気の量＝（ｍ／２）Ｗ1 ／（１２ｎ＋ｍ）・・・（２２）【００６０】発生する窒素酸化物や空気中に含まれる二
酸化炭素を無視すると、燃焼に伴う二酸化炭素濃度［Ｃ
Ｏ₂ ］は次式（２３）で示される。【００６１】［ＣＯ₂ ］＝（４００ｎＫ）／〔（１２ｎ＋ｍ）（γ＋１）λ＋Ｋｍ〕（％）・・・（２３）【００６２】以上は理想系に付いて解析した結果である
が、窒素酸化物や空気中に含まれる二酸化炭素の量を加
味したとしても、発生した二酸化炭素の濃度と空燃比の
間には次式（２４）の関係が期待できる。【００６３】［ＣＯ₂ ］＝Ａ／（Ｂλ＋Ｃ）・・・（２４）ここに、
Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ定数で、近似的には（２３）式に
対応する。【００６４】理解を容易にするため、上記（２４）式の
逆数をとると、下記（２５）式を得る。【００６５】［ＣＯ₂ ］^-1＝Ｂλ／Ａ＋Ｃ／Ａ・・・（２５）【００６６】このことから、空燃比λが理論空燃比λ₀
より大きい領域においては、［ＣＯ₂ ］^-1が空燃比に対
して線形関係を示すことになり、これを利用して、当該
領域で、ＣＯ₂ 濃度を検出することにより空燃比λを連
続的に検出できることが理解できる。【００６７】より具体的に説明すれば、ガソリン（Ｃ：
Ｈ＝１：１．８３モル比）を用い、所定の空燃比でエ
ンジンの運転を行い、発生する一酸化炭素の濃度および
二酸化炭素の濃度をガスクロマトグラフィーにより測定
すれば、測定結果は、図４に示す内容となる。この図４
は、縦軸に［ＣＯ₂ ］^-1をとり、横軸に空燃比をとった
ものであり、両者の間には直線関係が成り立っている。
このため、（２５）式で近似することができ、最小二乗
法によって係数決定を行うと、Ｂ＝０．００４８、Ｃ＝
−０．００２８、ｒ（分散係数）＝０．９７９となる。【００６８】この場合、Ｋ＝３４．３、ｒ＝３．７６と
して（２３）式との対応をとると、ｎ：ｍ＝１：１．８
となり、使用ガソリンの分析値と非常に良い一致を示
す。また、（１７）式にこの関係を代入すると、λ₀ ＝
１４．４となり、現実の値と良く一致する。従って、排
気ガス中の二酸化炭素濃度［ＣＯ₂ ］から空燃比を（２
４）又は（２５）式に基づいて決定することは実用上問
題はない。【００６９】一方、（２４）又は（２５）式で用いるＣ
Ｏ₂ 濃度［ＣＯ₂ ］を検出することに関しては、前記第
２実施例同様、ランバ−ト・ベ−ルの法則を適用して求
められる。このため、そのことに関しての説明は省略す
る。【００７０】次に、第４実施例について、図５〜図８に
基づいて説明する。前述の第２、第３実施例からも明ら
かなように、ＣＯ₂ 濃度［ＣＯ₂ ］と空燃比とは図６に
示す関係を有するため、所定の［ＣＯ₂ ］に対して二つ
の空燃比λ₁ 、λ₂ が存在し、λ₁ ＜λ₀ （理論空燃
比）、λ₀ ＜λ₂ となり、［ＣＯ₂ ］からは一義的に空
燃比λが決まらない。このため、本実施例は、その問題
点を解決すべく、λ₁ ＜λ₀ 、λ₀ ＜λ₂ のいずれであ
るかを判別せんとするものである。【００７１】λ＜λ₀ 、λ＞λ₀ の各場合において、
［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］の値に着目した場合、その値に
違いが存在する。すなわち、λ＜λ₀ の場合には、前述
の如く、反応式（２）式が成立する。【００７２】Ｃn Ｈm ＋〔｛２（２μ＋１）ｎ＋（μ＋１）ｍ｝／４（μ＋１）〕０₂ → ｛ｎμ／（１＋μ）｝ＣＯ₂ ＋｛ｎ／（１＋μ）｝ＣＯ＋（ｍ／２）Ｈ₂ Ｏ・・・（２）但し、μは発生二酸化炭素と一酸化炭素のモル比を表
す。【００７３】このため、上記（２）式より、ＣＯ₂ と水
蒸気の濃度比は下記（２６）式で示される。【００７４】［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］＝２ｎμ／ｍ（１＋μ）・・・（２６）【００７５】一方、λ＞λ₀ の場合には、前述の如く、
反応式（１４）式が成立する。【００７６】Ｃn Ｈm ＋〔（４ｎ＋ｍ）／４〕Ｏ₂ → n ＣＯ₂ ＋（ｍ／２）Ｈ₂ ０・・・（１４）【００７７】このため、上記（１４）式より、ＣＯ₂ と
水蒸気の濃度比は下記（２７）式で示される。【００７８】［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］＝２ｎ／ｍ・・・（２７）【００７９】上記（２７）式より、λ＞λ₀ の場合に
は、［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］は２ｎ／ｍに収束する一
方、λ＜λ₀ の場合には、λの増加に従ってＣＯの発生
が減少することから、μは単調に増加することになり、
図７に示すように、λの増加に伴って［ＣＯ₂ ］／［Ｈ
₂ Ｏ］が増加することになる。このことから、［ＣＯ
₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］＝２ｎ／ｍであれば、λ＝λ₂ （λ＞
λ₀ ）であると判断でき、［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］＜は
２ｎ／ｍであれば、λ＝λ₁ （λ＜λ₀ ）であると判断
できる。【００８０】これを裏付けるため、ガソリン（Ｃ：Ｈ＝
１：１．８３モル比）を用い、所定の空燃比でエンジ
ンの運転を行い、μ＝［ＣＯ₂ ］／［ＣＯ］を求め、
（２６）、（２７）式から空燃比と［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂
Ｏ］との関係を求めた。この結果、図８の内容を得、λ
＞λ₀ では、［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］はほぼ１．１に収
束し、λ＜λ₀ では、［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］≠１．１
となり、図７と同様の特性を示した。【００８１】図５は、上記内容を採用した装置で、この
装置において、前記第１実施例と同一構成要素について
は同一符号が付してある。この装置においては、第１算
出装置７と第２算出装置８とが備えられている。第１算
出装置７は、受光素子３等からの信号に基づき、排気中
のＣＯ₂ 成分濃度［ＣＯ₂ ］とＨ₂ Ｏ成分濃度［Ｈ₂
Ｏ］との比［ＣＯ₂ ］／［Ｈ₂ Ｏ］を算出するように設
定されている。一方、第２算出装置８には、前記第１算
出装置７からの信号と、受光素子３からのＣＯ₂ 濃度信
号とが入力されることになっており、第１算出装置７か
らの信号に基づき、空燃比λが理論空燃比λ₀ よりも小
さい領域か否かが判断されることになっている。そし
て、空燃比λが理論空燃比λ₀ よりも小さい領域である
と判断されたときには、前記第２実施例の内容が実行さ
れ、空燃比λが理論空燃比λ₀ よりも大きい領域である
と判断されたときには、前記第３実施例の内容が実行さ
れ、これに基づき、各場合の空燃比λが算出される。【００８２】この場合、ＣＯ₂ 濃度［ＣＯ₂ ］と共に水
蒸気濃度［Ｈ₂ Ｏ］が検出されるが、［ＣＯ₂ ］同様、
ランバ−ト・ベ−ルの法則が適用され、前述の（１１）
式の如く、下記（２８）式により求められる。【００８３】［Ｈ₂ Ｏ］＝１００（ＲＴ／Ｐ）（１／εｄ）log （Ｉ₀ ／Ｉ）（％）・・・（２８）【００８４】この［Ｈ₂ Ｏ］に関しては、特定波長Λ１
６７ｎｍ、吸光係数ε＝１０^3.33であるから、幅ｄ＝
０．５ｃｍ、また、排気温度Ｔ＝７３０（Ｋ）、排気圧
Ｐ＝１．５（atm ）とすると、吸収による光強度の変化
Ｉ／Ｉ₀ は、前記（２８）式より、【００８５】Ｉ／Ｉ₀ ＝１０^-0.268[H2O] ・・・（２９）【００８６】ここで、［Ｈ₂ Ｏ］＝［ＣＯ₂ ］（λ＞λ
₀ ）とすると、［ＣＯ₂ ］がほぼ１１〜１５mol ％であ
るから、Ｉ／Ｉ₀ がほぼ１．１３×１０^-3〜０．０９５
×１０^-3となり、［Ｈ₂ Ｏ］の濃度検出は可能である。
次に、λ＝１１を例にとると、［Ｈ₂ Ｏ］／［ＣＯ₂ ］
＝０．６２、また、［ＣＯ₂ ］＝１０．５mol ％である
から、［Ｈ₂ Ｏ］＝６．５mol ％である。よって、Ｉ／
Ｉ₀ ＝１０^-0.268×^6.5 ＝１８．１×１０^-3となり、こ
の場合も検出可能である。【００８７】【発明の効果】以上述べたように本発明にあっては、内
燃機関から排出される各種ガス成分をリアルタイムで検
出できる。また、ＣＯ₂をリアルタイムで検出できると
共に、空燃比が理論空燃比より小さい領域及び大きい領
域のいずれの領域においても、空燃比を連続的に検出で
きる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an exhaust gas component concentration detecting device for detecting a component concentration of exhaust gas discharged from an internal combustion engine. 2. Description of the Related Art In an internal combustion engine using gasoline, light oil, heavy oil, natural gas, or methanol as fuel, exhaust gas after combustion contains not only water vapor and carbon dioxide but also nitrogen oxides (NOX).
), Sulfur oxides, and also oxygen, unburned hydrocarbons (H
C) and the like. These components (excluding at least oxygen and water vapor) contained in the exhaust gas are a major cause of air pollution, and although it has been recently called for a reduction in emissions, the nitrogen oxides found in gasoline engines At present, no effective countermeasures have been taken in addition to countermeasures for goods. As a countermeasure for a gasoline engine, Japanese Utility Model Application
-46643 discloses a method of controlling the air-fuel ratio by the CO concentration in the exhaust gas. In general, however, gasoline sucked into the engine is controlled by an oxygen concentration sensor provided in the exhaust system. The ratio of air, that is, the air-fuel ratio is indirectly detected, whereby the air-fuel ratio is controlled to reduce nitrogen oxides, sulfur oxides, and combustion hydrocarbons. The components are decomposed. [0004] However, a conventional general oxygen concentration sensor has an oxygen concentration cell at the center of its function, and its output is "off" in an oxygen-deficient state and an output in an excessive oxygen state. Turns on. For this reason, it is urgent to establish a lean burn technique as one method of reducing carbon dioxide emissions by reducing fuel consumption, but in a real system, although it is effective to control at the stoichiometric air-fuel ratio, lean air There is a problem that the engine cannot be controlled by the fuel ratio. In addition, in the case of an automobile engine that needs to cope with a wide range of required loads, it is necessary to perform a wide range of air-fuel ratio control, but there is a problem that a conventional general oxygen concentration sensor cannot cope with it. In addition, since the operating conditions of the oxygen concentration sensor and the catalyst require a high temperature, there is a problem in exhaust gas purification during cold start. On the other hand, the exhaust gas emitted as a result of combustion indicates the state of combustion, and first of all, in order to control the combustion state, to form exhaust gas or to establish a necessary operating state for exhaust gas purification, the exhaust gas component It is necessary to know the concentration.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an exhaust gas component concentration detecting device that detects various gas components discharged from an internal combustion engine in real time. In order to achieve the above object, according to the present invention, an irradiating means for irradiating light of a specific wavelength and a light receiving means for detecting incident light from the irradiating means are provided. ,
It is arranged so as to sandwich the exhaust passage of the engine, and based on Lambert-Beer's law,
Calculation means for calculating a specific detection gas concentration is provided , wherein the calculation means includes a first calculation means and a second calculation means,
The first calculating means calculates a CO ₂ component concentration [CO ₂ ] in the exhaust gas.
The ratio of the H ₂ O component concentration [H ₂ O] and _{_{[CO 2] / [H 2}} O]
Is calculated so that the air-fuel ratio λ is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio λ ₀ based on [CO ₂ ] / [H ₂ O] calculated by the first calculator. If it is determined that the air-fuel ratio λ is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio λ ₀ , the CO ₂ component concentration [CO ₂ ] is calculated and the CO ₂ component concentration [CO ₂ ] is used. [CO ₂ ] = AB (λ ₀ −λ) where A and B are based on constants, and the air-fuel ratio λ is also calculated. In the region where the air-fuel ratio λ is larger than the stoichiometric air-fuel ratio λ _0. When it is determined that there is
The CO ₂ component concentration [CO ₂ ] is calculated, and the CO ₂ component concentration [CO ₂ ] is used, and the following formula [CO ₂ ] = A / (Bλ + C) where A and C are constants based on the air-fuel ratio. The exhaust gas component concentration detecting device is set so as to also calculate λ. According to the above configuration, when light is applied to a stream, light having a wavelength inherent to the component gas is absorbed, and the fact that the amount of absorption at that time depends on the component gas concentration is applied to the exhaust gas component. become. Therefore, various gas components discharged from the internal combustion engine can be detected in real time. An embodiment of the present invention will be described below. There are several methods for detecting gaseous species and concentrations, and typical methods are shown in Table 1. [Table 1] Among the various gas analysis methods shown in Table 1 above, as a method satisfying the conditions such as real-time analysis or downsizing of the analyzer and a small influence of temperature or the like, a method using an absorption spectrum is used. Among the methods using the absorption spectrum, the method using the photochemical absorption spectrum has the simplest structure and the possibility of miniaturization. This method uses a certain wavelength of light (UV, visible, infrared) in the detection gas.
Focusing on the fact that light of a specific wavelength is absorbed when is irradiated, the chemical species of the gas is determined by detecting the absorption wavelength, and the concentration is determined from the absorption intensity. The apparatus according to the present embodiment employs a method using the above-mentioned photochemical absorption spectrum. In this apparatus, as shown in FIG. And a light receiving element 3 as light receiving means, and a calculating device 6 as calculating means are provided. The irradiating means 2 comprises a light source 4 and a prism 5; Light of a specific wavelength (indicated by an arrow in FIG. 1) is emitted by an irradiating means 2 into an exhaust gas (FIG.
(Indicated by arrows in the middle). As the specific wavelength of the light irradiated by the irradiation means 2,
The absorption wavelength of the gas that constitutes the exhaust gas of the internal combustion engine is selected, and is specifically as shown in Table 2. [Table 2] The irradiation by the irradiation means 2 is performed, for example, at specific wavelengths 600, 400, 340 and 29 shown in Table 2 above.
0, 260, 255, 225, 215, 211, 19
2,190,182,149,148,146,13
Any one or a plurality of 3, 128, and 112 nm is sequentially or simultaneously performed. Also, as another aspect,
Grouping of a specific wavelength for each gas component in the exhaust gas, that is, for oxygen, the specific wavelength is 600, 255 nm
For the first group consisting of nitrogen oxides, specific wavelengths 400, 215, 182, 146, 128, 225, 3
A second group consisting of 40, 260 nm, sulfur oxides, a third group consisting of 290, 192, 149, 211 nm, carbon oxides 190, 148,
A fourth group of 133 and 112 nm may be formed, one specific wavelength may be selected from each group, and one or more of the selected specific wavelengths may be irradiated. . The light receiving element 3 detects the irradiation light from the irradiation means 2 as incident light through the exhaust gas, and the light having the irradiation light intensity I ₀ from the irradiation means 2 specifies the light in the exhaust gas. This is to detect the incident light intensity I that has been changed by being absorbed by the exhaust gas component. The calculating device 6 uses Lambert-Beer's law (Lambert-Beer's law) with the irradiation light intensity I ₀ of the irradiation means 2 and the incident light intensity I detected by the light receiving element 3 as input conditions. ) Is to be used to calculate the specific detected gas concentration. That is, the Lambert base
According to Le's law, when light of wavelength Λ passes through a gas, it is absorbed by each substance (exhaust gas component) in the exhaust gas, and the intensity of the irradiation light intensity I ₀ becomes I (incident light intensity). Then, the following form is established. Εcd = log (I ₀ / I) (1) where d is the light transmission distance (constant), c is the gas concentration,
ε indicates the extinction coefficient. ε is a coefficient determined by the substance (exhaust gas component) and the wavelength of light. Parentheses in Table 2 show logarithmic values of ε (unit dm3 / mol · cm) at the absorption wavelength of each gas. For this reason, the calculating device 6 obtains the concentration c of each gas component by knowing I ₀ / I based on the relational expression (1). Therefore, in the first embodiment,
Various gas components discharged from the internal combustion engine can be detected in real time. Next, a second embodiment will be described. This second embodiment makes it possible to detect CO ₂ in real time and utilizes the fact that the CO ₂ concentration in the exhaust gas has a linear relationship with the air-fuel ratio in a region where the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio. Then, the air-fuel ratio is continuously detected by detecting the CO ₂ concentration in the region. First, when attention is paid to the combustion reaction, gasoline is composed of many hydrocarbons, and its average molecular formula can be described as CnHm. Here, the air-fuel ratio is set to be equal to or lower than the stoichiometric air-fuel ratio. To deal with
The chemical change accompanying the combustion is as shown in the following equation (2). Cn Hm + [{2 (2μ + 1) n + (μ + 1) m} / 4 (μ + 1)] 0 ₂ → {nμ / (1 + μ)} CO ₂ + {n / (1 + μ)} CO + (m / 2) H ₂ O (2) where μ represents the molar ratio between the generated carbon dioxide and carbon monoxide. It is known that the probability of generation of carbon monoxide CO depending on the degree of combustion can be almost uniquely determined by the air-fuel ratio. Since the air-fuel ratio λ is not carbon monoxide occurs if the λ ≧ λ ₀ with respect to the theoretical air-fuel ratio λ _0, λ = λ
_{At 0} , the carbon monoxide concentration [CO] needs to satisfy [CO] = 0. Therefore, it is assumed that [CO] can be approximately expressed by the following equation (3). [CO] = ΣE (k) (λ ₀ −λ) (3) On the other hand, unburned hydrocarbon HC is remarkably generated when λ <λ ₀ , and λ ≧ λ ₀ Therefore, it is assumed that the unburned hydrocarbon concentration [HC] also has an approximate relationship similar to that of carbon monoxide, as shown in the following equation (4). [HC] = ΣF (k) (λ ₀ −λ) (4) Further, regarding the carbon dioxide concentration [CO ₂ ], the amount of carbon atoms before and after the reaction does not change. Therefore, the following equation (5) is established. D [CO ₂ ] + ad [CO] + bd [HC] = 0 (5) where a and b are involved in reactions such as unburned hydrocarbons, carbon monoxide, carbon dioxide, and water vapor. It is considered to be a function of the concentration of the chemical species, in other words, the air-fuel ratio λ. Thus, the following equation (6) is obtained. [CO ₂ ] = L−∫ (ad [CO] + bd [HC]) (6) where L is an integration constant. In the above equation (6), a and b are constants. Regarding [CO] and [HC] in the equations (3) and (4), ignoring quadratic and higher order terms, the equation (6) [CO ₂ ] becomes the following equation (7). [CO ₂ ] = L− {aE (1) + bF (1)} (λ ₀ −λ) (7) Therefore, if the above equation (7) is generalized, the following equation is obtained. 8) [CO ₂ ] = A−B (λ ₀ −λ) = A−Bλ ₀ + Bλ (8) where A = L and B = {aE (1) + bF (1)}. From this, in the region where the air-fuel ratio λ is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio λ ₀ , the CO ₂ concentration in the exhaust gas [CO ₂ ]
Shows a linear relationship to the air-fuel ratio, and it can be understood that the air-fuel ratio λ can be continuously detected by detecting the CO ₂ concentration in the region using the linear relationship. More specifically, gasoline (C:
H = 1: 1.83 molar ratio), the engine is operated at a predetermined air-fuel ratio, and the concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide generated are measured by gas chromatography. 3. The contents are as shown in FIG. [Table 3] Therefore, as is clear from the comparison with FIG. 3 and the equation (8), the coefficient B is obtained from the gradient of the straight line in FIG.
However, A-Bλ ₀ can be obtained from the intercept of the straight line. In this case, when λ ₀ = 14.4 and the coefficients A and B are determined by the least squares method, the result is given by the following equation (9). [CO ₂ ] = 15.46-1.44 (14.4-λ) (r = -0.977) (9) As shown in the above equation (9), [CO _2] ] Can determine the air-fuel ratio λ. it can. In the above case, the terms [CO] and the like in the equations (3) and (4) have been treated ignoring the terms of the second and higher order. Ignoring this and obtaining the relationship between [CO] and λ by the least squares method based on the data in Table 3 and FIG. [CO] = 34.34−2.39λ = 2.39 (14.4−λ) (r = -0.977) (10) Therefore, in the above equation (3), the second or higher order Even if the term is ignored, λ ₀ = 14.4, which is in good agreement with the actual value, and the carbon dioxide concentration in the exhaust gas [CO
_[2 ], there is no practical problem in determining the air-fuel ratio based on the expression (8) or (9). On the other hand, C in the above equations (8) and (9)
Regarding the detection of the O ₂ concentration [CO ₂ ], Lambert-Beer's law is applied. That is, Lumber
According to Tober's law, when a gas mixture flows through a flow path having a width (diameter) d, if light having a wavelength Λ is transmitted at right angles to the flow, light having a wavelength inherent to the component gas is obtained. Is absorbed, and the amount of absorption at that time depends on the concentration of the component gas. Therefore, the following equation (11) is obtained. [CO ₂ ] = 100 (RT / P) (1 / εd) log (I ₀ / I) (%) (11) where, P: exhaust gas pressure (atm) T: exhaust temperature (K) R: gas constant (0.082 l / K) ε: value specific to absorption wavelength Table 4 shows absorption wavelength Λ and absorption coefficient ε for carbon dioxide.
Shows the value of [Table 4] As described above, in detecting the CO ₂ concentration,
_The detection wavelength can be set according to the concentration range of ₂ and the size of the detection site. Specifically, in the detection of the CO ₂ concentration, the exhaust gas temperature T = 730 (K) and the exhaust gas pressure P = 1.5 (at
m), and assuming that the flow path width of the exhaust is d = 3 (cm), the equation (11) becomes the following equation (12). [CO ₂ ] = 1330 (1 / ε) log (I ₀ / I) (12) From the results in Table 3 and FIG. 3, 10 ≦ [C
If O ₂ ] ≦ 15, I / I ₀ can be described by the following equation (13). 0.0075ε ≦ log (I / I ₀ ) ≦ 0.1128ε (13) By substituting the values of ε shown in Table 4 into the values, Table 5 is obtained. [Table 5] That is, considering the limit of detection accuracy, ε
= 0.38, 182.0, 338.8 can be applied, and more specifically, ε = 0.38, 182.0 can be said to be optimal. Next, a third embodiment will be described. The third embodiment makes it possible to detect CO ₂ in real time, and utilizes the fact that the CO ₂ concentration in the exhaust gas has a linear relationship with the air-fuel ratio in a region where the air-fuel ratio is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. Then, the air-fuel ratio is continuously detected by detecting the CO ₂ concentration in the region. First, when attention is paid to the combustion reaction as in the second embodiment, in this embodiment, the air-fuel ratio is set to be equal to or higher than the stoichiometric air-fuel ratio. ). [0051] Cn Hm + [(4n + m) / 4] _{_{O 2 → n CO 2 + (}} m / 2) H 2 0 ··· (14) [0052] (a) the case turned on the air-fuel mixture of the stoichiometric air-fuel ratio is turned on Assuming that the weights of air and fuel to be generated are W1 and W2, the theoretical air-fuel ratio λ ₀ is as follows. Λ ₀ = W 1 / W 2 (15) Further, since the molar ratio of hydrocarbon and oxygen reacting during combustion is 1: {(4n + m) / 4}, the following equation (16) ) Holds. [W2 / (12n + m)]: [W1 / (32 + 28γ)] = 1: (4n + m) / 4 (16) Here, γ represents the molar ratio of nitrogen and oxygen in the air. From the equations (15) and (16), λ ₀ can be expressed by the following equation (17). Λ ₀ = (8 + 7γ) [(4n + m) / (12n + m) (17) (b) When the air-fuel ratio exceeds the stoichiometric air-fuel ratio (lean air-fuel ratio) Burns all, oxygen (air)
Becomes surplus in the exhaust gas. Now, assuming that the air-fuel ratio λ is λ = W 1 / W 2 (18), the amounts of generated oxygen, nitrogen, carbon dioxide, and water vapor in the exhaust gas are expressed in mol units as follows. The amount of oxygen = (λ−λ ₀ ) W1 / 4K, where K = 8 + 7γ (19) The amount of nitrogen = λγW1 / 4K (20) The amount of carbon dioxide = n W1 / (12n + m) (21) The amount of water vapor = (m / 2) W1 / (12n + m) (22) If the generated nitrogen oxides and the carbon dioxide contained in the air are neglected, it is accompanied by the combustion. Carbon dioxide concentration [C
O ₂ ] is represented by the following equation (23). [CO ₂ ] = (400 nK) / [(12 n + m) (γ + 1) λ + Km] (%) (23) The above is the result of analysis on an ideal system. Even if the amount of carbon dioxide contained in the air and the air is taken into account, the relationship of the following equation (24) can be expected between the concentration of the generated carbon dioxide and the air-fuel ratio. [CO ₂ ] = A / (Bλ + C) (24) where
A, B and C are constants, respectively, and approximately correspond to equation (23). For easy understanding, the reciprocal of the above equation (24) gives the following equation (25). [CO ₂ ] ⁻¹ = Bλ / A + C / A (25) From this, the air-fuel ratio λ is changed to the stoichiometric air-fuel ratio λ _0.
In a larger region, [CO ₂ ] ⁻¹ has a linear relationship with the air-fuel ratio, and by using this, the air-fuel ratio λ is continuously determined by detecting the CO ₂ concentration in the region. It can be understood that it can be detected. More specifically, gasoline (C:
H = 1: 1.83 molar ratio), the engine is operated at a predetermined air-fuel ratio, and the concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide generated are measured by gas chromatography. The contents shown in FIG. This figure 4
Is [CO ₂ ] ⁻¹ on the vertical axis and the air-fuel ratio on the horizontal axis, and a linear relationship is established between the two.
Therefore, it can be approximated by the equation (25), and when the coefficient is determined by the least square method, B = 0.048 and C =
-0.0028 and r (dispersion coefficient) = 0.979. In this case, if K = 34.3 and r = 3.76 and the correspondence with the equation (23) is taken, n: m = 1: 1.8.
It shows very good agreement with the analysis value of gasoline used. Further, when this relationship is substituted into Expression (17), λ ₀ =
14.4, which is in good agreement with the actual value. Therefore, based on the concentration of carbon dioxide [CO ₂ ] in the exhaust gas, the air-fuel ratio is determined as (2
There is no practical problem in determining based on equation (4) or (25). On the other hand, C used in the equation (24) or (25)
The detection of the O ₂ concentration [CO ₂ ] can be obtained by applying Lambert-Beer's law as in the second embodiment. For this reason, a description of this is omitted. Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. As is clear from the above-described second and third embodiments, since the CO ₂ concentration [CO ₂ ] and the air-fuel ratio have the relationship shown in FIG. 6, two air-fuel ratios are given for a predetermined [CO ₂ ]. λ ₁ and λ ₂ exist, λ ₁ <λ ₀ (theoretical air-fuel ratio), λ ₀ <λ ₂ , and the air-fuel ratio λ cannot be uniquely determined from [CO ₂ ]. Therefore, in the present embodiment, in order to solve the problem, it is determined whether λ ₁ <λ ₀ or λ ₀ <λ ₂ . In each case of λ <λ ₀ , λ> λ ₀ ,
When attention is paid to the value of [CO ₂ ] / [H ₂ O], there is a difference in the value. That is, when λ <λ ₀ , the reaction equation (2) is satisfied as described above. Cn Hm + [{2 (2μ + 1) n + (μ + 1) m} / 4 (μ + 1)] 0 ₂ → {nμ / (1 + μ)} CO ₂ + {n / (1 + μ)} CO + (m / 2) H ₂ O (2) where μ represents the molar ratio between the generated carbon dioxide and carbon monoxide. Therefore, from the above equation (2), the concentration ratio between CO ₂ and water vapor is represented by the following equation (26). [CO ₂ ] / [H ₂ O] = ₂ nμ / m (1 + μ) (26) On the other hand, when λ> λ ₀ ,
Reaction equation (14) is established. Cn Hm + [(4n + m) / 4] O ₂ → n CO ₂ + (m / 2) H ₂₀ (14) Therefore, from the above equation (14), CO ₂ and The water vapor concentration ratio is represented by the following equation (27). [CO ₂ ] / [H ₂ O] = 2 n / m (27) From the above equation (27), when λ> λ ₀ , [CO ₂ ] / [H ₂ O] converges to 2 n / m, while when λ <λ ₀ , μ increases monotonously since CO generation decreases as λ increases,
As shown in FIG. 7, [CO ₂ ] / [H
₂ O] will increase. From this, [CO
₂ ] / [H ₂ O] = 2 n / m, λ = λ ₂ (λ>
λ ₀ ), and if [CO ₂ ] / [H ₂ O] <is 2 n / m, it can be determined that λ = λ ₁ (λ <λ ₀ ). To support this, gasoline (C: H =
(1: 1.83 molar ratio), the engine was operated at a predetermined air-fuel ratio, and μ = [CO ₂ ] / [CO] was determined.
From the equations (26) and (27), the air-fuel ratio and [CO ₂ ] / [H ₂
O]. As a result, the content of FIG.
For> λ ₀ , [CO ₂ ] / [H ₂ O] converges to approximately 1.1, and for λ <λ ₀ , [CO ₂ ] / [H ₂ O] ≠ 1.1
And showed the same characteristics as those in FIG. FIG. 5 shows an apparatus adopting the above contents. In this apparatus, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In this device, a first calculation device 7 and a second calculation device 8 are provided. The first calculator 7 calculates the CO ₂ concentration [CO ₂ ] and the H ₂ O concentration [H ₂ ] in the exhaust gas based on signals from the light receiving element 3 and the like.
O] and the ratio [CO ₂ ] / [H ₂ O]. On the other hand, the signal from the first calculation device 7 and the CO ₂ concentration signal from the light receiving element 3 are to be input to the second calculation device 8. Based on this, it is determined whether or not the air-fuel ratio λ is in a region smaller than the stoichiometric air-fuel ratio λ ₀ . When it is determined that the air-fuel ratio λ is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio λ ₀ , the contents of the second embodiment are executed, and the air-fuel ratio λ is larger than the stoichiometric air-fuel ratio λ _0. When it is determined, the contents of the third embodiment are executed, and based on this, the air-fuel ratio λ in each case is calculated. [0082] In this case, the CO ₂ concentration [CO _2] with water vapor concentration [H ₂ O] is detected, [CO _2] Similarly,
Lambert-Beer's law is applied, and the aforementioned (11)
Like the equation, it is obtained by the following equation (28). [H ₂ O] = 100 (RT / P) (1 / εd) log (I ₀ / I) (%) (28) With respect to this [H ₂ O], a specific wavelength $ 1
Since 67 nm and the extinction coefficient ε = 10 ^3.33 , the width d =
If the exhaust temperature is 0.5 cm, the exhaust temperature T is 730 (K), and the exhaust pressure P is 1.5 (atm), the change I / I _{0 in the} light intensity due to absorption is given by the above equation (28). I / I ₀ = 10 ^{-0.268 [H2O]} (29) where [H ₂ O] = [CO ₂ ] (λ> λ
₀ ), since [CO ₂ ] is approximately 11 to 15 mol%, I / I _{0 is} approximately 1.13 × 10 ^{−3 to} 0.095.
× 10 ⁻³ , and [H ₂ O] concentration detection is possible.
Next, taking λ = 11 as an example, [H ₂ O] / [CO ₂ ]
= 0.62 and [CO ₂ ] = 10.5 mol%, so [H ₂ O] = 6.5 mol%. Therefore, I /
I ₀ = 10 ^−0.268 × ^6.5 = 18.1 × 10 ⁻³ , which is also detectable. As described above, according to the present invention, various gas components discharged from the internal combustion engine can be detected in real time. In addition, CO ₂ can be detected in real time, and the air-fuel ratio can be continuously detected in both the region where the air-fuel ratio is smaller than the stoichiometric air-fuel ratio and the region where the air-fuel ratio is larger.

【図面の簡単な説明】【図１】実施例に係る装置を説明する説明図【図２】理論空燃比より小さい領域におけるＣＯ濃度特
性を示す図。【図３】理論空燃比より小さい領域におけるＣＯ₂ 濃度
特性を示す図。【図４】理論空燃比より大きい領域における［ＣＯ₂ ］
^-1特性を示す図。【図５】空燃比が理論空燃比を中心としていずれの側に
あるかを判別する機構を説明する図。【図６】理論空燃比を中心としてリ−ン、リッチを含む
領域におけるＣＯ₂ 濃度特性を示す図。【図７】空燃比が理論空燃比を中心としていずれの側に
あるかを判別する方法を説明する図。【図８】図７の特性線図を実験的に求めた図。【符号の説明】１排気通路２照射手段３受光素子４光源５プリズム６算出装置７第１算出装置８第２算出装置BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an apparatus according to an embodiment. FIG. 2 is a diagram showing CO concentration characteristics in a region smaller than a stoichiometric air-fuel ratio. FIG. 3 is a diagram showing CO ₂ concentration characteristics in a region smaller than a stoichiometric air-fuel ratio. FIG. 4 [CO ₂ ] in a region larger than the stoichiometric air-fuel ratio
FIG. ¹ is a diagram showing characteristics. FIG. 5 is a diagram illustrating a mechanism for determining on which side the air-fuel ratio is around a stoichiometric air-fuel ratio. FIG. 6 is a diagram showing CO ₂ concentration characteristics in a region including lean and rich with the stoichiometric air-fuel ratio as a center. FIG. 7 is a view for explaining a method for determining which side the air-fuel ratio is around the stoichiometric air-fuel ratio; FIG. 8 is a diagram obtained by experimentally obtaining the characteristic diagram of FIG. 7; [Description of Signs] 1 Exhaust passage 2 Irradiating means 3 Light receiving element 4 Light source 5 Prism 6 Calculator 7 First calculator 8 Second calculator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−128136（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−107845（ＪＰ，Ｕ) 基礎物性図表，日本，共立出版株式会社，1972年５月15日，初版，141 (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) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-55-128136 (JP, A) JP-A 63-107845 (JP, U) Basic physical property chart, Japan, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd., May 1972 15th, first edition, 141 (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) G01N 21/00-21/01 G01N 21/17-21/61 Practical file (PATOLIS) Patent file (PATOLIS) JICST file (JOIS)

Claims

(57) [Claim 1] Irradiating means for irradiating light of a specific wavelength and light receiving means for detecting incident light from the irradiating means are arranged so as to sandwich an exhaust passage of an engine. And a calculating means for calculating a specific detected gas concentration based on a relational expression based on Lambert-Beer's law , wherein the calculating means includes a first calculating means and a second calculating means.
For example, the first calculating means, CO ₂ component concentration in the exhaust gas [CO _2]
The ratio of the H ₂ O component concentration [H ₂ O] and _{_{[CO 2] / [H 2}} O]
Is calculated so that the second calculating means calculates the
Based on [CO ₂ ] / [H ₂ O], the air-fuel ratio λ is the stoichiometric air-fuel ratio
Judgment is made whether the area is smaller than λ ₀ and the air-fuel ratio λ is
When it is determined that the region is smaller than the air-fuel ratio λ ₀
Calculates the CO ₂ component concentration [CO ₂ ],
_{Using the two-} component concentration [CO ₂ ], the following equation [CO ₂ ] = AB (λ ₀ −λ) where A and B are
The air-fuel ratio λ is also calculated based on the constant , and the air-fuel ratio
When it is determined that the region is larger than the fuel ratio λ ₀ ,
Calculates the CO ₂ component concentration [CO _2], the CO ₂ formed
Using the partial concentration [CO ₂ ], the following formula [CO ₂ ] = A / (Bλ + C) where A and C are
Based on the constant , it is set so that the air-fuel ratio λ is also calculated.
Are, exhaust gas component concentration detection apparatus characterized by.