JPH01247740A - 局所空燃比検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関の制御装置に係り、特に空燃比制御に
好適な燃焼室内の点火プラグ近傍の局所空燃比の検出装
置に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関の燃焼火炎光を外部に導出し、燃焼情報として
利用する試みは各方面で検討され、ディーゼルエンジン
の着火時期を検出するものは既に実用化されてきている
。燃焼光より空燃比を検出するものに関しては、自動車
技術会学術講演会前刷集８３２（昭和５８年８月）、Ｐ
３１９〜Ｐ３６２、に論じられているものがある。これ
は予混合層流バーナ火炎を用いて、燃焼火炎光のラジカ
ルの発光強度（ＣＨ６１Ｃ２’　ｌ　”　ＯＨ）が、空
燃比と強い相関性があることを明らかにしたものであり
、間欠燃焼のエンジンについては、上記ラジカル成分の
生成が空燃比のほかに温度、圧力などによって影響を受
けると予想して検討はされていない。

また、特願昭５６−１７９７６６号ではエンジンの燃焼
光の前記各ラジカル成分の発光強度比より空燃比を検出
する方法が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

火花点火式の内燃機関において燃焼に最も影響を及ぼす
因子は、点火プラグ周辺の混合気の空燃比と点火プラグ
の放電エネルギである。

上記した従来技術は、燃焼室内の燃焼火炎光より空燃比
を検出する方法、すなわち、極論すれば、燃焼室内の平
均的な空燃比を算出する方法であり、点火プラグ周辺の
局所空燃比の検出についての配慮がされておらず、最適
な燃焼制御を行うには十分と云えなかった。

本発明の目的は上記した点火プラグ周辺、特に点火プラ
グの放電電極間周辺（火花放電から混合気への着火のプ
ロセスが行われる領域）の局所空燃比を検出することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的は、火花光及び燃焼光をエンジンの外部に導
出する光導部材、すなわち、石英ガラスファイバ、ある
いは、石英ガラスロッドを点火プラグの中心電極の中心
軸部を貫通する形で配設し、その光導体部材の燃焼室側
開口面、すなわち、検出面の対抗側を点火プラグの接地
電極（外側電極）で覆うように形成しく通常の点火プラ
グで多用している対抗型電極配置）、電極間で放電によ
って生ずる火花光を効率良く前記検出面より光導体を介
してエンジン外部に導出できるようにすること、及び、
点火プラグでの放電電圧を検出することしこより達成さ
れる。

〔作用〕

上記のごとくして外部に導出された点火プラグでの放電
火花光の強度は、火花周辺の混合気の空燃比が小さい、
すなわち濃い混合気の場合、火花によって活性化される
ラジカル成分が増大し、その発光強度分だけ大きくなる
。薄い混合気になってくるとラジカルの活性化に寄与す
る燃料の比率が少なくなるので、その分だけラジカルの
発光強度は小さくなり、火花光強度も弱くなってくる。

したがって、放電火花のエネルギによってもラジカルの
活性化の度合いは異なってくるので、このエネルギも知
る必要がある。そこで本発明では点火プラグでの放電電
圧を検出することにより、この影響を考慮できるように
している。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明になる点火プラグ近傍の局所空燃比検出
装置の全体構成の概要である。

点火プラグでの放電火花光及び燃焼光を外部に導出する
光導体は点火プラグに内蔵した形で構成し、燃焼光検出
端１としてエンジン２に取り付けられる。燃焼光検出端
１により導出された火花光、燃焼光は光フアイバケーブ
ル３を介して光電変換器４に導びかれ電気信号に変換さ
れる。この変換された信号はマイクロコンピュータを内
蔵したコントロールユニット５に送られる。燃焼光検出
端１は通常の点火プラグの機能も有しており、コントロ
ールユニット５からの制御信号により点火装置６を駆動
し、点火プラグ（燃焼光検出端１）に高電圧の放電電圧
を印加できるようになっている。

点火袋［６と燃焼光検出端１の間に放電電圧検出器７を
配し１点火プラグでの放電電圧を検出し、コントロール
ユニット５にその信号を伝送できるようになっている。

コントロールユニット５では。

これらの信号を入力して点火プラグ（燃焼光検出端１）
近傍の局所空燃比を算出し、この値が最適値となるよう
に燃料量、あるいは燃料噴射時期を制御すべく、その制
御信号をインジェクタ８に出力する。

第２図は本発明になる点火プラグ一体型燃焼光検出端１
の要部断面図である。本実施例では光導体として石英ガ
ラスファイバ９を用いているが、サファイア、石英ガラ
ス等の高耐熱、光透過性部材ならばいずれでも良い。石
英ガラスファイバ９は直径１〜２ｍの細径であり、これ
を点火プラグの中心電極１ｏ、高圧ターミナル１１の中
心軸上を貫通する形で配設している。これらの外周部は
電気的絶縁性を配慮した碍子１２、さらにその外周をエ
ンジンへの装着ねじ部を有した栓体１３で構成している
。石英ガラスファイバ１は中心電極１０、高圧ターミナ
ル１１、碍子１２が近傍する第２図＠部で導電性ガラス
シール剤で封着し、気密、固着を行う構造としている。

この気密、同情方法は本発明では限定することなく、い
ずれの方法でもその機能を達成できるものであれば良い
。

外側電極（接地電極）１４は栓体１３の端部に固着され
、中心電極１０に覆いかぶさるような形で（対抗型電極
配置）構成されている。

第３図は本発明になる電極部、火花光、燃焼光検出部の
要部断面図である。第３図（ａ）は石英ガラスファイバ
９の端面をフラットにし、中心電極１ｏの端面と同一面
上にしたものである。この場合、放電火花光はＳｔ、Ｓ
Ｚのごとくランダムに中心電極１０と外側電極１４で形
成する電極間隙部で放電によって生ずる。したがってこ
の場合、中心電極１０の外径φｄの延長線上で外側電極
１４と接する点０．Ｏ′を視野に入れるように石英ガラ
スファイバ９の開口角を選定する必要がある。開口角に
限界がある場合、中心電極１０の外径φｄを小さくし、
放電火花光を視野に入れる必要がある。一般的な石英ガ
ラスの場合、フラット面では視野角はθ１は約４０＠位
いである。第３図（ｂ）は視野角θ２を上記θｌに比べ
て大きくするため、石英ガラスファイバ９′の先端を凸
レンズ状にしたものである。このようにすると視野角は
θ２＝８０〜１００＠位いを確保できる。第３図（ｃ）
、（ｄ）は（ａ）（ｂ）の構造のものにそれぞれ白金チ
ップ１５．Ｌ６を付設したものである。白金チップの場
合、火花放電による電極部の電蝕が極くわずかであるの
で、放電部の面積を小さくしても良い。したがって、（
ｃ）、（ｄ）のものは中心電極径φｄより小さな径の白
金チップ１５．１６を設けている。このようにすると、
石英ガラスファイバ９，９′の視野は放電火花光の発生
領域をさらに十分カバーするようにできる。

このようにして石英ガラスファイバ９，９′に導入され
た放電火花光（その後、生ずる燃焼光も一部導入される
）は第１図に示す光フアイバケーブル３を介して光電変
換器４に導びかれる。ここで、放電火花光は波長４００
〜５００ｎｍ帯が主体の青白い光であり、この波長帯の
透過性が良い光フアイバケーブルを用いる必要がある。

石英ガラスファイバ、多成分系ガラスファイバはこの波
長領域の光透過性が比較的良いので、本実施例では多成
分系のバンドル型光ファイバ（１９芯、束外径φ１〜２
ｍ）を用いている。第３図かられかるように石英ガラス
ファイバには放電火花光のほかに一部、燃焼光も導入さ
れてくる。ここで燃焼光をカットし、放電火花光のみを
光電変換しようとした場合、下記のごとくすれば良い。

第４図はその一例を示したものである。第４図は光電変
換器４の要部断面図である。ケース１７の内部には、プ
リント基板部１８、光電変換素子１９（本実施例ではフ
ォトトランジスタを用いている）、光学フィルタ２０が
図示のごとく配されている。フオ＋−＋−ランジスタは
通常そのケースがコレクタと導通となっているので、ケ
ース１７とフオｌ−１−ランジスタ１９の間には電気的
絶縁部材２１．２２を配している。光学フィルタ２０は
、第５図に示すようにバンドパスフィルタの特性にして
いる。すなわち、放電火花光の波長−１＋Ｆである５０
０ｎｍを中心透過波長とし、それ以外の波長帯は不透過
帯としたものである。このようにすることにより、光フ
アイバケーブル３で導入された火花光、燃焼光のうち、
光学フィルタ２０で火花光のみを透過することができる
ようになる。

また、火花光のみの検出の他の方法としては。

第４図、第５図で示したごとき光学フィルタを用いずに
、光電変換素子１９として第５図のごとき分光感度特性
を有したものを用いても同様な効果を上げることができ
る。

燃焼光も同時に検出しようとした場合には、第４図に示
す光学フィルタ２０は用いず、光電変換素子は、通常の
フォトトランジスタで良いにの場合、その分光感度特性
は第６図に示すごときであり、４　Ｑ　Ｏｎ、　ｍ〜１
２００ｎｍの範囲で受光感度を有しており、火花光（４
００〜５００ｎｍ）　、燃焼光（６００ｎ　ｍ以上）と
も検出できる。

第７図は第２図、第３図（ａ）、第４図で光学フィルタ
２０を除いたもの（第６図の特性を有するフォトトラン
ジスタ）を用いて放電火花光と燃焼光を検出し、同時に
点火プラグの放電電圧も検出した場合の波形例である。

第７図の上側の波形がフォトトランジスタ１９の出力信
号、下側の波形が放電電圧検出器７の出力信号である。

点火プラグでの放電電圧は、まず容量放電によって図示
Ｃ部で−ＶＥの電圧が瞬間的に生じ、このとき放電火花
光強度も図示Ａ部で瞬間的に大きくなすＶｏのピーク電
圧が生ずる。容量放電後、誘導放電（図示０部）が生ず
るが、このときの火花光は図示Ａ′のごとくわずかしか
出力されない。これは、誘導放電の場合、そのエネルギ
が小さいため、微弱な火花光しか生じず、フォトトラン
ジスタでの検出能力限界に近づくからである。そしてこ
の放電火花によって生じた火炎核の生長に伴って混合気
への着火が行われ、図示Ｂのごとき燃焼光強度信号が出
力される。燃焼光のピーク電圧は火花光のピーク電圧Ｖ
ｏＬこ比べると１１５以下と小さいレベルである。

本発明は上記ＶｏとＶＥを検出し、両者の関係から点火
プラグ近傍の空燃比を算出するものである。

第８図はその信号処理回路のブロック図である。

放電電圧検出器７で得られた放電電圧信号は広帯域アナ
ログ増幅器２３で信号を反転し、ゲインを調整する。こ
の信号は高速ピークホールド回路２４に導びかれ、その
ピーク値ＶＥが所定期間ホールドされる。この所定期間
はエンジンクランク角度を基準にして行えば良い（例え
ばピストンの上死点信号）。第８図の例では燃焼行程が
含まれる上死点から上死点までの間３６０°をホールド
状態にセットできるようにしており、この間に放電電圧
信号がくるとそのピーク電圧がホールドされ、次の上死
点信号がくるまでピークホールドされ、上死点信号がく
るとリセットされる。このピークホールド間の任意の時
刻にＡ／Ｄコンバータ２５にピークホールド値ＶＢを取
り込むように構成されている。一方、フォトトランジス
タ１９で光電変換された電気信号は高速ピークホールド
回路２６に送られ、前記と同様の手法で火花光のピーク
電圧Ｖｏがホールドされ、このピークホールドの期間の
任意の時刻にＡ／Ｄコンバータ２５にピークホールド値
Ｖｏ　を転送するように構成している。

第９図は第８図のごとくして得たＶｏとＶＥの関係図で
ある。この図は実機において点火時期、空燃比を任意に
変化させてＶｏとＶＥを実測した結果である（数１０サ
イクルの平均値で整理している）。

放電電圧ＶＥの増加とともに放電火花光信号Ｖｏは増加
し、空燃比Ａ／Ｆ＝１２（図示Ｅ）、Ａ／Ｆ＝１５（図
示Ｆ）、Ａ／Ｆ＝１８（図示Ｇ）と変化することにより
、その傾向は比例的に変化する。

したがって、第９図に示すＶｏとＶＥおよびＡ／Ｆの関
係をマツプ化して記憶しておくか、あるいは演算式とし
てマイクロコンピュータ内のソフトで作成しておくこと
により点火プラグ電極部近傍の空燃比Ａ／Ｆが算出でき
る。

第１０図はその処理ブロック図である。Ａ／Ｄコンバー
タ２５によって得られたＶＱ、ＶＥのディジタル信号は
マイクロコンピュータ内に転送され、ブロック２７．２
８で数サイフルル数１０サイクルの平均値のＶｏ、Ｖｐ
が算出されるにこで平均化する理由は、毎サイクルごと
に点火プラグの電極部近傍の空燃比は変化している（例
え燃焼室に供給される空燃比が毎サイクル同じだとして
も、燃料の微粒化の程度、燃焼室内でのスワール、乱れ
の程度が毎サイクル微妙に異なるため）ので、その平均
的な数値、すなわち、燃焼室内に供給される平均的な空
燃比を知るには上記のごとく平均化する必要がある。し
かし、加減速時のようなトランジェント運転状態、ある
いは失火限界近傍での希薄燃焼運転状態等では、各サイ
クルごとの点火プラグ近傍の空燃比が重要視される場合
がある。

したがって、このような運転状態に本発明を用いる場合
には第１０図のブロック２７．２８の平均化処理は不必
要となる。本明細書では平均化処理を行う場合の例で以
下、述べる。

ブロック２７．２８で平均化されたＶＯＩ　ＶＥはブロ
ック２９で前記した第９図の関係をマツプ横築によるか
、あるいは演算式により空燃比Ａ／Ｆを算出する。ブロ
ック２９で得られたＡ／Ｆはブロック３０に送られ、そ
のときのエンジン運転状態において予め定められた目標
空燃比（目標Ａ／Ｆ）に合致しているかどうか判別し１
合致していない場合、その偏差を算出する。ブロック３
１ではその偏差が零となるようにインジェクタ８から噴
出する燃料量、あるいは燃料噴射時期をコントロールす
る信号をインジェクタ８に出力する。燃料噴射時期をコ
ントロールするのは気筒別に噴射時期を制御するシステ
ムに有効であり、噴射時期を早めると燃焼室下面側の混
合気が濃＜　（Ａ／Ｆが小さく）、燃焼室の上面側に設
置された点火プラグ近傍が薄＜　（Ａ／Ｆが大きく）な
る。一方、噴射時期を遅くすると上記と逆になり１点火
プラグ近傍が濃く、その下面側は薄くなりいわゆる層状
化しやすくなる。噴射時期制御を行うと燃焼室内に供給
する混合気の空燃比は同一のまま、点火プラグ近傍の空
燃比の任意に変えることができる。

したがって、経済運転域では噴射時期を遅らせて層状化
し１点火プラグ近傍は濃い混合気にして着火性を増し、
燃焼室全体の空燃比は希薄化して燃料経済性を向上させ
る、また、出力運転域でこのようにすると燃焼速度が増
すためにＮＯ，の生成が増大するのでプラグ近傍はやや
薄めの混合気となるように噴射時期をやや早めるという
ようなことが容易にしかも本発明の局所空燃比検出装置
により閉ループ制御することにより高精度に行うことが
できる。

〔発明の効果〕

以上の本発明により１点火プラグの電極部の局所空燃比
を毎サイクル、あるいは数１０サイクルの平均値として
検出することができ、燃焼の最適制御を閉ループによっ
て実行することができる。

したがって、加減速時の空燃比の高速閉ループ制御が可
能となり、円滑なトルク変化が得られ、有害排気成分の
低減効果も得られる。また、希薄燃焼運転域における失
火限界ぎりぎりでの運転制御を実行できるので燃料経済
性を向上できる。また。

燃料供給系の混合気形成状態の良否を判別できるので燃
料供給系の微粒化の程度を制御することにも適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる局所空燃比検出装置の概要図、第
２図は点火プラグ一体型の燃焼光検出端の要部断面図、
第３図はその電極部の詳細図、第４図は光電変換器への
光導入部の要部断面図、第５図、第６図はここに用いる
光学フィルタ、光電変換素子の分光感度特性図、第７図
は放Ｍ１電圧ＶＥ、火花光信号Ｖｏの実測波形図、第８
図はＶＥ、ＶＯの信号処理ブロック回路図、第９図はこ
れを用いた測定結果を示す図、第１０図はＶＯ，ＶＥよ
りＡ／Ｆを算出するフローを示す図である。 １・・・燃焼光検出端、３・・・光フアイバケーブル、
４・・光電変換器、５・・・コントロールユニット、７
・・・放電電圧検出器。 第１　図 第２図 図面の浄書（内容に変更なし） 第３図 とＣ）（む 第４図 第５図　　　　　第６図 穴（ｃＭｔ）　　　　　　　　　λ（υつ第７図 ５＃Ｔ　　　　　　　ＲＩ：５＆Ｔ 第９図 手続補正書（方式） ％式％ 十−件の表示 昭和６３年特許願第　７２１３４　　号発明の名称 局所空燃比検出装置 代　　　理　　　人 居帽〒１刈東京都千代田区九の内−丁目５番１号補正の
対象 図面 補正の内容 Ｘ　　・′

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、火花点火式内燃機関において、点火プラグに印加す
   る放電電圧を検出する手段、点火プラグの近傍に開口し
   、点火プラグの放電火花光を主に導出できるように構成
   した光導体部材及びその光電変換器よりなる火花光検出
   手段、上記両手段からの検出信号より空燃比を算出する
   回路手段とを設けたことを特徴とする局所空燃比検出装
   置。