JPH0231794B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波信号と光信号とに基づき
内燃機関の燃焼開始時期を検出するようにした燃
焼時期検出装置に関する。

内燃機関において、運転中の燃焼室内の状態、
上死点位置、上死点に対する燃料噴射時期点火お
よび着火時期を精確に検出することは、排気およ
び燃費を向上させるため、又そのための燃焼解析
において強く望まれていることである。また生産
ラインにおいて、生産した内燃機関が上死点に対
して所定の時間または角度で燃料を噴射している
かどうか、点火、着火、燃焼しているかどうかを
精度良く且つ簡便に検査できる良い装置が、微妙
な燃焼制御が行なわれている最近の動向を反映し
て強く望まれている。

特にデイーゼルエンジンは、燃費の確点から最
近乗用車にも多く塔載される様になつたが、ガソ
リンエンジンに比べ普及が遅れたことや、検出す
る簡便な情報が無いこともあり、最近ともにその
要望が強い。

デイーゼルエンジンでは、噴射ポンプの噴射時
期がクランク角で１度でも設定値から変化すると
排気ガスのHCおよびNOxは大きく変化するの
で、特に大量生産するエンジンの噴射時期精度の
品質管理が従来困難であつた。すなわち従来は噴
射時期の基準となるクランク角位置、および噴射
ポンプの取付け位置−噴射時期に対応の２つの相
対位置を静的に決めかつ精度も数度程度であつ
た。

このため大量生産するエンジンでは噴射ポンプ
の噴射時期が±3゜変動することを考慮しなければ
ならず、EGRのような排気ガス規制対策用の装
置を新たに付加し、噴射時期が設定値から変動し
ても、排気ガス規制を越えないようにする必要が
あつた。そのためエンジンのシステムが複雑にな
る、燃費が低下するなどの問題があつた。

このため静的でなく動的に調整しかつ精度を±
0.5゜にできるマイクロ波の共振を利用した調整シ
ステムが使用されるようになつてきた。

このシステムは、マイクロ波の共振現象を利用
して上死点を検出し、噴射ポンプの噴射時期を副
室の燃焼にともなう発光信号で代用させ、上死点
との差を検出し、これを設定値の±0.5゜以内に、
ステツプモータを利用して噴射ポンプの取り付け
位置を自動的に変化させて、設定値の±0.5゜にお
さまるように調整している。

このシステムは、マイクロ波を発生し、これを
波波するマイクロ波部と、マイクロ波をエンジン
に注入するとともに副室の発光を電気信号として
検出するプロープとエンジンクランク角信号を取
り出すエンコーダと、エンコーダの角度信号をも
とに、マイクロ波信号を処理して上死点を求め、
副室の発光信号と上死点との差をクランク角角度
差として求め、設定値になるように後述のステツ
プモータに指令信号を出す電子回路部と、噴射ポ
ンプの取付け位置を変更するステツプモータのア
クチユエータ部とで構成されている。

副室の発光信号の波形およびピーク値はエンジ
ンの負荷および回転数で変化するとともに、その
サイクル毎の変動の大きさも変化する。特に低負
荷ではサイクル毎に波形およびピーク値は50％変
動する場合がある。従来は、単に副室の発光信号
を一定レベルの値を越えた時間もしくは角度で検
出し、それで発光信号の立上り時間としていた。
そのためエンジンの負荷状態によつては立上り時
間が大きく変動することになり、このために精度
を著しく悪化させることになつていた。これをさ
けるためにエンジンの負荷状態を、副室の発光信
号のサイクル毎の変動を低下させるために、ある
状態たとえば軽負荷で1300rpmなどにする必要が
あつた。しかしエンジンをこの負荷状態に保つに
は、そのための装置が必要であり、根本的には測
定できるエンジンの動作範囲が限定され、このセ
ンサの有用性が減少するという欠点を有してい
た。

また、マイクロ波の共振は、ピストンの位置に
応じておこるため、エンジンが回転している場合
には時間信号として、マイクロ波信号すなわち上
死点が得られる。しかし排気ガスのNOx、HCの
排出量は噴射ポンプのクランク角位置で決定され
るため、クランク角で上死点を求める必要があ
り、従来は角度信号を別に用いている。特に角度
の精度が高い事が要求されるため、エンジンに通
常あるような角度センサたとえばリングギアに簡
単に電磁ピツクアツプを取付けるようなセンサで
は十分な精度（0.1゜）が得られなく、使用できな
い。そのため、従来、精度の高い角度センサ、エ
ンコーダを特別に用意し、シヤフトドライバ等を
介して、調整する度毎に取り付ける必要があつ
た。

毎回調整時に取り付ける事の問題、測定時間の
増加、エンジン取り付けシステムを新たに付加す
る事に加え精度がこの角度センサエンコーダに依
存するため、精度、信頼性に特別に配慮する必要
がある。しかしセンサの出力から自体ではセンサ
の精度の自己診断はできないため、エンコーダ自
体の精度、信頼性を高くするとともに、エンジン
取付けシステムの信頼性、再現性を非常に高くす
る必要があつた。

本発明は、本発明者らが前記従来装置が有して
いた問題点を解消する装置を開発するため、系統
的実験および理論解析を重ねた結果到達したもの
である。

本発明は、簡単なシステムで精度良く燃焼時期
を検出し、且つ取り扱いも容易で充分実用に供す
る燃焼時期検出装置を提供することを目的とす
る。

本発明の燃焼時期検出装置は、所定周波数のマ
イクロ波を発生するマイクロ波発振器と、送信お
よび受信マイクロ波を分離する送受分離器と、受
信したマイクロ波を検波して低周波信号に変換す
る検波器とから成るマイクロ波部と、燃焼室内に
マイクロ波部の送受分離器から出力されたマイク
ロ波を放射するとともに反射波を受信するマイク
ロ波センサーと、燃焼室内の燃焼に伴なう発光状
態を電気的に検出する光センサーとから成るプロ
ーブと、マイクロ波部の検波器から出力されるマ
イクロ波信号のピークを検出するピーク検出部
と、プローブの光センサーから出力される光信号
のピーク値を各サイクルにおいて検出するととも
に光信号がそのピーク値の予め定めた割合の強度
に達した時期を検出する光信号処理部と、ピーク
検出部および光信号処理部から出力される信号に
基づきマイクロ波のピーク中点から光信号のピー
ク値の予め定めた割合の強度に達するまでの時間
差を演算する時間差演算部とから成る処理部とか
ら成る。

上述の構成より成る本発明の燃焼時期検出装置
は、各サイクルにおいて光信号のピーク値を検出
して、光信号がそのピーク値の予め定められた割
合の強度に達した時期を検出するものである。一
般に内燃機関において、その運転状態に応じて燃
焼室内の着火燃焼状態が変化し、特に低負荷域で
は各サイクル毎に大きく変動するので、光信号の
ピーク値も大きく変動するが、本発明装置は、各
サイクルにおけるピーク値に対する相対値として
検出するので、運転状態が変動して、内燃機関毎
の燃焼のバラツキが存在しても、精度良く燃焼開
始時期を検出することができるという利点を有す
る。

また、本発明装置は、簡単なシステムであり、
マイクロ波と光信号を１つのプローブで検出して
おり、装着および脱着が容易であり、実用に充分
供し得るという利点を有する。

ここで本発明の燃焼時期検出装置の検出原理に
ついて説明する。

エンジンの燃焼室は、金属で囲まれた閉曲面な
ので、マイクロ波の電磁界が存在できる共振条件
を満たす位置にピストンが無いと、マイクロ波同
軸ケーブルを通して燃焼室内に注入されたマイク
ロ波は、全部反射される。燃焼室はモデル的に円
筒と考えられるので、ピストンがたとえば上死点
から２分の１波長の位置に来るたびに共振し、そ
の度にプローブから燃焼室内に注入されたマイク
ロ波は吸収され、燃焼室の壁面におけるジユール
損失で熱になる。エンジンを運転し、ピストンが
共振位置にくると、そのたびにマイクロ波が吸収
されるので、第１図中ａで示す波形になる。上死
点をはさんで対称になるので、この波形の中点が
本発明における上死点になる。本発明では波形の
中点を検出するに当たり、上死点前後の上死点に
最も近い２個のピークを利用する。第１図におい
てマイクロ波による上死点の時間軸上での位置を
一点鎖線で示し、以下マイクロ波上死点という。

本発明は、このマイクロ波上死点を基準にして
燃焼室の燃焼に伴なう発光信号の立上り時間を燃
焼開始時期に対応する代用信号と考え、上死点に
対する燃焼開始時期をマイクロ波のピークの中点
の時間から光信号の立上り時間までの時間差（第
１図中△Ｔ）として検出するものである。

燃焼室の燃焼に伴なう発光信号の立上り時間
は、第１図に示すように、光信号の波形（第１図
中ｂ）のピーク値を検出し、そのピーク値の予め
定めた割合の強度に達した時間で決定している。
その強度割合は、この波形ｂに重畳するノイズ信
号のレベル等を考慮し、決定すれば良い。

本発明は、燃焼の開始時期を燃焼室の発光信号
のピーク値に対する所定割合の強度に達した時間
で検出する。すなわち光信号の相対強度で検出す
るため、エンジンの運転状態に応じて燃焼状態が
変化しても、影響を受けること無く、精確に上死
点に対する燃焼開始時期を検出することができ
る。

特に無負荷、低回転域においては、光信号の強
度のピーク値は、50％近く変動するので、一定強
度を越えた時間で光信号の立上り時間を求めた場
合に比べて著しく、立上り時間の精度が向上す
る。

本発明の燃焼時期検出装置は、実施するに当
り、次の様な態様を採り得る。

本発明の第１の態様の燃焼時期検出装置は、マ
イクロ波のピーク中点の時間と光信号のピーク値
の予め定めた割合の強度に達するまでの時間との
時間差をクランク角度へ変換するエンジン回転数
に応じた係数を予かじめ求めてこのエンジン回転
数に応じた変換係数に従い前記時間差をクランク
角における角度差に変換するようにしたものであ
る。

本第１の態様の装置は、エンジン回転数に応じ
たクランク角度変換係数を予かじめ記憶装置に記
憶しておくか、演算するものであるため、燃焼時
期を上死点に対するクランク角で検出する場合で
も、従来装置の様に角度情報を得るためのエンコ
ーダの様な余分なセンサーを必要としないで精度
良く検出することができるとともに、システムが
簡素化され、装置および脱着が容易であり、信頼
性も向上するという利点を有する。すなわち、本
第１の態様は、角度情報を得るためにエンコーダ
の様なセンサーを用いるものに比べ、技術を進め
たものであり、従来困難視されていた角度変換を
その変換係数を回転数の関数として表現されると
いう発明者らの知見に基づき、容易に実現できる
ようにしたものである。

本発明の第２の態様の燃焼時期検出装置は、マ
イクロ波のピーク中点から光信号のピーク値の予
め定めた割合の強度に達するまでの時間差を算術
平均して演算するとともに、統計処理して標準偏
差を求めて、標準偏差が設定値内にあることを確
認するようにしたものである。

したがつて、本第２の態様の装置は、一層精度
を高めるとともに、標準偏差が設定値内にあるこ
とを確認することによりエンジンとプローブが正
常であるかどうかを常に監視する機能を有すると
いう利点を有する。

次に本発明の実施例装置を第２図ないし第６図
を用いて説明する。

本実施例の燃焼時期検出装置は、本発明装置を
副室を有するデイーゼルエンジンの燃料噴射時期
の検出に適用したものである。

すなわち、主室と副室とを有するデイーゼルエ
ンジンの副室から主室にマイクロ波を放射注入
し、主室の円筒共振を利用してマイクロ波のピー
ク中点の時間から上死点を検出するとともに、マ
イクロ波のピーク中点時間から副室の発光信号の
ピーク値の10％に達した時間までの時間差を検出
することにより、上死点に対する燃料噴射時期を
検出するものである。

本発明者らの実験によれば、燃料噴射装置によ
る燃料噴射の後に燃焼室内の燃料が着火燃焼する
から、厳密な時間として噴射時期と燃焼に伴なう
光信号の10％値の時間とは相違するが、あらゆる
運転状態でその対応関係が一定であるため、前記
燃焼に伴う光信号は噴射時期信号として充分代用
できるという知見を得ている。本実施例は、この
知見に基づき本発明を適用したものである。

本実施例の燃焼時期検出装置は、第２図に示す
ように所定周波数のマイクロ波を発生するととも
に、受信したマイクロ波を低周波信号に変換する
マイクロ波部と、燃焼室の副室内にマイクロ波
を放射および受信するとともに、副室内の着火燃
焼に伴なう発光を検出するプローブと、受信し
たマイクロ波の共振波形の上死点前後のピークの
中点の時間からエンジンの上死点を検出するとと
もに、発光信号の各エンジンサイクルのピーク値
を求め発光信号がそのピーク値の予め定めた割合
の強度（10％位）に達した時間から燃焼時間を検
出し、前記上死点と燃焼時間との時間差を検出す
ることにより、燃焼時期を検出する処理部と、
検出した燃焼時期を表示する表示部とから成
る。

マイクロ波部は、マイクロ波を発生するマイ
クロ波発振器１と送信および受信マイクロ波を分
離する送受分離器２と、受信したマイクロ波を検
波して低周波信号に変換する検波器３とから成
る。

マイクロ波発振器１は、固体発振素子ガンダイ
オードを導波管共振器に取り付けたガンダイオー
ド発振器から成り、電子同調を行うためにバラク
タダイオードを取り付け最大80MHzまで電子同調
できるようにしてある。また機械的に導波管共振
器の形状を変え±250MHz周波数を変更できるよ
うにしてある。

上述のマイクロ波発振器１は、発振周波数を
18GHzに設定した。本実施例装置は、エンジンの
シリンダ等の閉じられた燃焼室の金属壁面が空胴
共振器を構成し、電磁場が円筒金属壁面で共振現
象を起こすのを利用するものである。燃焼室の円
筒共振モードに対応する複数のピストン位置で共
振するため、エンジンを回転させ、この燃焼室内
にマイクロ波を放射注入すると、所定のピストン
位置で共振し、反射波が吸収される。これらの吸
収波形は、ピストンの共振位置に対応するため上
死点をはさんで前後対称に現われる。それらのピ
ークの中の上死点に最も近いそのピークの中点を
検出することにより、上死点を求めるものであ
る。本実施例を適用したエンジンは、燃焼室が主
室と副室とで構成され、主室と副室を連絡する連
絡孔CHは、マイクロ波の導波管と考えられるの
で、マイクロ波のカツトオフ周波数が存在する。
本実施例では、燃焼室の主室の円筒共振を利用す
るものであるため、マイクロ波を主室に導びく必
要があり、発振周波数をこのカツトオフ周波数以
上に設定する必要がある。通常カツトオフ周波数
は10GHz前後であるので、本実施例では発振周波
数を18GHzに設定した。

マイクロ波の周波数を変えると、燃焼室の共振
モードが変化し、カツトオフ周波数よりマイクロ
波の発振周波数を上げて行くと、ピストンの共振
位置は比例的に上死点に近ずく。しかし、マイク
ロ波発振器１と後述するプローブとを連絡する
フレキシブルケーブルFCのマイクロ波の減衰量
が、マイクロ波の周波数が大きくなるにしたがい
増加し、且つフレキシブルケーブルの振動による
減衰量変化が大きくなり、結果的にマイクロ波信
号の雑音が増加するので、装置化にあたり高度な
技術的工夫が要求される。このようなことから本
実施例では、発振周波数を18GHzに設定した。そ
の結果、共振が上死点からピストンストロークで
約８mmのところで起こり、クランク角に換算する
と、本実施例で適用したエンジンでは、上死点前
後30度になる。

マイクロ波発振器１の出力端には、マイクロ波
発振器１の負荷からの反射による破損の保護、周
波数、出力の変動を防止するため逆共振損失
20dBのアイソレータが取り付けられている。マ
イクロ波発振器１の電源は、直流の定電圧電源か
ら供給されているが電磁障害をさけるために
EMIフイルタがマイクロ波発振器１の電源入力
端に取り付けられている。このEMIフイルタは
20MHz以上の周波数に対して顕著な効果を有する
ようにしてある。マイクロ波発振器は熱伝導の良
いアルミ製のヒートシンクに取り付けてあり、空
冷フアンを用い強制空冷してある。このヒートシ
ンクにはマイクロ波発振器１の温度も検出するた
めに、サーミスタが取り付けられている。マイク
ロ波発振器１は、その温度が変化すると１℃当り
0.9MHz周波数が低下するため、サーミスタで測
定した温度からマイクロ波発振器１の周波数の変
化を推定し、前述のバラクタ端子の電圧を変化さ
せ、マイクロ波発振器１の発振周波数の温度変化
を極力少なくするようにしている。結果として10
℃〜40℃の温度変化に対し1MHz以下の周波数変
動に設定した。この動作をさせるために後述する
処理部と、マイクロ波発振器１のバラクタ端子
とは接続されている。また電源の断続によるスパ
イク状の雑音によるマイクロ波発振器１の破損を
防止するため、電源とはリレーを介して接続され
ており、全体の電源のON、OFFに対して時間差
を持たせてある。またヒートシンクの温度が45℃
以上になると電源は自動的に切られ、警告のブザ
ーがならされる。

送受分離器２は、３端子のサーキユレータから
成る。サーキユレータ２は、一方の端子を可撓性
のマイクロ波同軸ケーブルFCを介してマイクロ
波発振器１に接続し、他方の端子を同様の可撓性
のマイクロ波同軸ケーブルFCを介して後述する
プローブに接続する。

検波器３は、可撓性の同軸ケーブルFCを介し
て前記サーキユレータ２の３番目の端子に接続さ
れ、プローブにより受信されたマイクロ波を検
波して低周波電気信号に変換する。検波器３は、
負極性のものを用い、すなわちマイクロ波強度が
大きい程、負電圧が大きくなる特性を有してい
る。

プローブは、第３図に示すようにフランジを
有する中空筒状体４と、フランジを介して該中空
筒状体４の上部に載置固着される筐体５とから成
り、これらに以下に述べる要素をそれぞれ配設す
る。

筐体５の上部には、マイクロ波コネクタ６を固
着し、上述のサーキユレータ２に接続されたマイ
クロ波ケーブルFCを接続する。マイクロ波コネ
クタ６の中心導体CLは、筐体５内に形成した導
波管を構成する部屋７内に４分の１波長に相当す
る長さ４mmだけ突出させ、且つ部屋７の側壁から
４分の１管内波長でけ離れた位置に配置する。し
たがつて部屋７は、同軸導波管変換部を構成す
る。

中空筒状体４内には、同軸的に同軸エアライン
内導体８と同軸エアライン外導体９を構成する径
の異なる２個の金属チユーブを配置する。同軸エ
アライン内導体と同軸エアライン外導体を構成す
る２個の金属チユーブの間は、空間が形成され、
図中の上端および下端には、支持スペーサおよび
シールを兼ねた窓としての石英の環状部材１０，
１１を配設し、マイクロ波領域の特性インピーダ
ンスを50Ωに設定した。

同軸エアライン内導体８の外径は１mmφ、同軸
エアライン外導体９の内径は2.3mmφにしてある。
同軸エアライン内導体８、同軸エアライン外導体
９は耐熱性、強度からステンレスを使用してい
る。マイクロ波損失を少なくするため、同軸エア
ライン内導体８の外側、同軸エアライン外導体９
の内側は金メツキしてある。エンジン運転時の振
動により、同軸エアラインの内導体８と同軸エア
ラインの外導体９の相対位置が変化して特性イン
ビーダンスが変化し、マイクロ波の強度が変動す
ることがないように、同軸エアライン内導体８
は、内径0.5φmmのステンレスパイプを使用してい
る。同軸エアライン外導体９のエンジン副室AC
とのシールのために、同軸エアライン外導体９と
中空筒状体４の内壁との間にゴム製のＯリング１
２を挿入する。

前述のように同軸エアライン内導体８を支持し
ている石英の窓１０，１１は副室ACの発光の光
を損失なく通すために、両端面をそれぞれ光学研
磨する。石英の比誘電率が４程度のため、インピ
ーダンスミスマツチングによる反射を防止するた
め、石英の窓１０，１１は石英内波長の1/2すな
わち４mm程度にして、両端面の反射波同志で反射
波を打ち消し、無反射にしてある。

副室AC内に挿入した同軸エアラインの先端部
のアンテナ１３は、いわゆるモノポールアンテナ
にし、取付け角度（円周方向）の調整を不要にし
ている。モノポールアンテナ１３は同軸部分から
３mm突き出させてある。また石英の窓１１は、直
接露出させると、未燃燃料が付着し、結果として
カーボンが付着し、副室ACの発光の光が石英の
窓１１で著しく減衰するため、副室の発光信号を
検出できなくなる。これを防止するため、石英の
窓１１はエアラインの副室側端面から2.3mm引き
込んだ位置に取り付け、直接未燃燃料がかからな
くするとともに、デイーゼルパーテイキユレート
も付着しにくくしてある。

石英の窓１０，１１は、ともに1000℃の高温ま
で接着力の低下しないセラミツクス接着剤によつ
て、それぞれ同軸エアライン内導体８の外周壁に
接着されている。一方石英の窓１１と同軸エアラ
イン外導体９との間に銅ワツシヤCWをおくこと
によりシールしている。

同軸エアライン内導体８の上端は、筐体５内の
導波管変換部を構成する部屋７に突出しており、
その上方の筐体壁に同軸的に穴Ｈを形成し、該穴
Ｈに近接して副室AC内の発光を電気信号に変換
するフオトダイオード１４を配設し、最も効率的
良く副室AC内の燃料噴射、着火燃焼に伴なう発
光の光を検出するようにした。前記穴Ｈは、マイ
クロ波に悪影響を与えないように径を２mmφにし
た。

上述のような構成のプローブを、中空筒状体
４の外周壁に形成した螺溝により、グロープラグ
用のシリンダヘツドの螺溝に螺合させ、副室AC
内に所定の長さだけその先端を突出させ、固着す
る。

処理部は、第２図に示す様に、マイクロ波の
ピーク検出部１５と、光信号処理部１６と、時間
差演算部１７と、Ｉ／Ｏインターフエース１８と
集中演算装置１９とROM２０、RAM２１とか
ら成るマイコンμCと、２個のＤ／Ａ変換器２２，
２３とから成る。

マイクロ波ピーク検出部１５は、マイクロ波部
の検波器３に接続したアンプ２４と、アンプ２
４に接続したバンドパスフイルタ２５と、バンド
パスフイルタ２５に接続したピークデイテクタ２
６とから成る。

アンプ２４は、検波器３からのマイクロ波に対
応する低周波信号を極性を変えずに増幅する。バ
ンドパスフイルタ２５は、通過周波数を10Hzから
500KHzに設定した。ピークデイテクタ２６は、
バンドパスフイルタ２５が出力した信号のピーク
値を検出して、ローパスフイルタの出力の適当な
パーセント（約50％）でしきい値を設定し、比較
器により、このしきい値とバンドパスフイルタ２
５の出力を比較して、マイクロ波信号のピークと
対応する矩形波状のパルス信号（第４図中Ａで示
す）を出力する。

光信号処理部１６は、プローブ内に配設した
ダイオード１４に接続したアンプ２７と、アンプ
２７に接続した第１の比較器２８と、アンプ２７
に接続するとともに後述する補正回路にそのリセ
ツト端子を接続したピーク・ホールド回路２９
と、アンプ２７に接続した遅延素子のBBD回路
３０と、第１の比較器２８の基準端子とBBD回
路３０の出力端子に接続した第２の比較器３１
と、ピーク・ホールド回路２９とBBD回路３０
の出力端子に接続した第３の比較器３２と、第１
ないし第３の比較器２８，３１，３２に夫々接続
した補正回路３３とから成る。

本光信号処理部１６は、本発明者らの系統的実
験および解析の結果燃料噴射時期に対して副室の
発火に伴なう光信号のピーク値の10％時点が最も
良く対応するという知見に基づき、マイクロ波信
号のピーク値間の中点との時間差から燃料噴射時
期を検出するために、マイクロ波信号と光信号と
の比較に当り光信号だけ遅延させ、且つピーク値
の10％に必ずしも対応しない適当なピーク値を基
準値として用い、マイクロ波信号の中点との時間
差を求め、しかる後にこの基準値と正しいピーク
値の10％値との時間差で補正する論理に立つてい
る。

アンプ２７は、フオトダイオード１４からの副
室AC内の発光信号を増幅する。第１の比較器２
８は、アンプ２７から出力される増幅された光信
号（第４図Ｂで示す）と予かじめ設定した基準値
とを比較し信号を出力する。ピーク・ホールド回
路２９は、増幅された光信号のピーク値を検出し
て、その10％の分圧値を出力する。BBD回路３
０は、増幅された光信号を一定時間遅延させて出
力する。第２の比較器３１は、第１の比較器２８
の基準値と同じ基準値とBBD回路３０により遅
延された光信号とを比較し、信号（第４図中Ｃで
示す）を出力する。第３の比較器３２は、光信号
のピーク値の10％分圧値と、遅延された光信号と
を比較し、信号（第４図中Ｄで示す）を出力す
る。補正回路３３は、第２の比較器３１および第
３の比較器３２が出力する信号ＣおよびＤの立上
がりの差をパルス幅とする補正区間パルス信号
（第４図中△t′で示す）を出力する。

時間差演算部１７は、マイクロ波のピーク検出
部１５のピークデイテクタ２６と光信号処理部１
６の第１の比較器２８と、補正回路３３に接続し
た時間差カウンタ３４と、時間差カウンタ３４と
補正回路３３と後述するカウンタ３６に接続した
クロツク発振器３５と、第３の比較器に接続した
カウンタ３６とから成る。

時間差カウンタ３４は、アツプ・ダウンカウン
タとレジスタとから成り、マイクロ波信号の上死
点前後の一対のピークの上死点前からピーク時点
からアツプカウントを開始して、第１の比較器２
８から光信号の基準値信号が入力されるまで継続
し、入力されると同時にダウンカウントを開始
し、マイクロ波信号の上死点後のピーク値が入力
されるまで継続し、且つ入力されるとその値を保
持し、その後補正回路３３から△t′信号が入力さ
れると再びダウン・カウントを開始し、入力され
ている時間（△t′）だけ継続し、入力されなくな
るとその値を保持する。この最終的に保持される
値がマイクロ波信号のピーク間の中点に対応する
上死点に対する燃料の噴射時期に対応する光信号
のピーク値の10％値との時間差（△ｔ−△t′）に
相当する。時間差カウンタ３４のカウント値を、
第４図においてＦで示す。

クロツク発振器３５は、本実施例の場合100K
Hzのクロツクパルスに設定してあり、各回路に
100KHzのクロツクパルスを出力する。

カウンタ３６は、カウンタとレジスタとから成
り、クロツク発振器３５のクロツクパルスの10分
の１の繰り返し周波数のクロツクパルスに基づ
き、光信号のピーク値の10％点の周期をカウント
する。

上述の時間差カウンタ３４、カウンタ３６およ
び第３の比較器３２の出力は、Ｉ／Ｏインタフエ
ースを介してマイクロ内にとり入れられる。

マイコンμCは、Ｉ／Ｏインタフエース１８と
集中演算装置１９と、ROM２０とおよびRAM
２１とから成り、Ｉ／Ｏインターフエースにとり
入れられたデータを処理する。処理手順は、第５
図に示すフローチヤートに示す通りで、光信号の
ピーク値の10％検出タイミングでインタラプト処
理を行なう。

第５図に示すフローチヤートに示す処理手順で
演算を行なうためのプログラムは、ROM２０に
予かじめメモリーしておく。

マイコンで処理する主な項目は、次の通りであ
り、上述の第１および第２の態様は、このマイコ
ン内で実行される。

マイクロ波信号の中点と光信号のピーク値の
10％値との時間差Δtの算術平均および標準偏
差の演算 上述の時間差Δtとエンジン回転周期T_Nから
クランク角における角度差△φの演算の演算 角度差△φの算術平均および標準偏差 一般にデイーゼルエンジンの噴射ポンプの噴射
時期はクランク軸への機械的相対位置すなわちク
ランク角で設定されている。そのためエンジンの
回転数が変化すると時間差はそのままクランク角
差とならないため、回転数を測定してクランク角
差として変換する必要がある。すなわち１サイク
ル毎に回転数を測定し、時間差の回転数変化によ
る変動を相殺してクランク角に変換することは不
可欠の構成であり本実施例でも副室ACの発光信
号の立上り時間（10％値）のサイクル毎の時間差
で上死点と副室の発光信号の立上り時間の時間差
を割りそれに720゜を掛けてクランク角に変換して
いる。しかしエンジンの爆発上死点近傍では圧縮
仕事のためエンジンの回転数は低下する。すなわ
ち１サイクル中に回転数変動がおきるので、従来
は時間差をクランク角の差に変換することは困難
視されてきた。第６図に回転数変動を測定した結
果を示す。４気筒４サイクルデイーゼルでの測定
結果で、波形１は回転数を、波形２はクランク軸
に固定している円板に設けたスリツトから得た上
死点信号である。４気筒４サイクルのため、波形
２の上死点間すなわち１回転の間に２つの気筒が
爆発行程になるので、回転数がやはり２回対応し
て低下している。

波形３は波形１の時間軸を拡大したものであ
る。波形４は波形２と同一の上死点信号である。
波形６はやはりクランク軸に取り付けた円板に設
けたスリツトから得られたクランク角5゜毎の位置
を示すパルス信号である。波形３と波形４と比較
すると、上死点で回転数が最低となつている。ま
た上死点に対しほぼ対称であることもわかる。上
死点からクランク角で約70゜以前から回転数が低
下し、30゜前から直線的に低下し、上死点をすぎ
るとやはり上死点から30゜後までは直線的に回転
数が上昇する。このことはミニコンピユータを使
用して正確に解析した結果でも得られている。こ
れは回転数変動の波形３が上死点に対したとえ非
対称であつても、マイクロ波共振のクランク角度
位置がたとえばマイクロ波発振器の周波数がゆつ
くり変動しても前述の中点で求めたマイクロ波上
死点は影響を受けないことを示している。

波形７は波形３を時間軸でさらに拡大した回転
数の波形で波形８と波形９は、それぞれ波形４と
波形６を時間軸でさらに拡大した波形でである。
波形７と波形９を比較すると上死点から10゜後で
はほとんど回転数が変化していないことがわか
る。ミニコンピユータを利用して正確にデータ処
理した結果でも裏付けられている。

すなわち、上述したように、上死点と副室AC
の発光信号の立上り時間の時間差を検出する場合
にはこの時間差はクランク角度で5゜程度になるの
で、一定の換算係数で時間差をクランク角に変更
できることになる。

回転数の上死点近傍の低下量はエンジン回転数
により変化し、当然回転数が上がれば低下量は少
なくなつてくる。

本実施例では回転数毎の換算係数ｆ（Ｎ）とし
て次式を用いた。Ｎはエンジン回転数で単位は
rpmである。

ｆ（Ｎ）＝0.62＋0.725（Ｎ／1000） −0.375（Ｎ／1000）² ただ本実施例では補正係数はマイコンのROM
に収納し、いわちるマツピングで補正している。

もう一度補正の手順を示す。毎サイクル毎に回
転数を測定し、上死点と副室の発光信号の立上り
時間との時間差を回転数でクランク角差に先ず変
換する。

次に回転数毎に与えている変換係数ｆ（Ｎ）を
このクランク角差にかけて、正確なクランク角差
を求める。

上述の様に時間−角度変換の変換係数をエンジ
ン回転数の関数として処理したため演算が非常に
容易になつた。

本実施例では、上記変換係数をメモリーに記憶
させたが、回転数を検出して演算回路で演算によ
りリアルタイムに求めることも可能である。

表示部は、Ｄ／Ａ変換器２２，２３を介し
て、マイコンμCのＩ／Ｏインターフエース１８
に接続したアナログメータAM１，AM２や、直
接Ｉ／Ｏインタフエース１８に接続したデイジタ
ル表示装置DD１，DD２，DD３とから成る。

次に上述の構成より成る本実施例装置の作用効
果について以下説明する。

マイクロ波部のマイクロ波発振器１から送ら
れたマイクロ波は、サーキユレータ２でマイクロ
波同軸ケーブルFCに伝送される。マイクロ波同
軸ケーブルFCは、プローブのマイクロ波コネ
クタ６に接続されているので、マイクロ波は同軸
導波管変換部７で導波管モード（TE）に変換さ
れ、導波管７を通り、また同軸導波管変換器CL
２で同軸モード（TEM）により、同軸エアライ
ンを通つて副室ACへ導かれ、連絡孔CHを介し
て主室MCに注入される。主室MCのピストン位
置が共振位置にないと、マイクロ波は反射され全
く逆の経路をたどり、マイクロ波同軸ケーブル
FCを介してサーキユレータ２に入る。サーキユ
レータ２では反射波は送信波と分離され、検波器
３に入り、検波器３でマイクロ波が検波され、低
周波電気信号になり、処理部へ送られる。

フオトダイオード１４は、副室ACの着火燃焼
に伴う発火信号を出力する。

処理部は、マイクロ波部の検波器３から出
力されたマイクロ波信号の低周波信号をピーク検
出部１５で信号処理するとともに、プローブか
ら出力される光信号を光信号処理部１６で信号処
理した後、時間差演算部１７でマイクロ波信号ピ
ークの中点と光信号のピーク値の10％値との時間
差△ｔ−△t′を演算する。しかる後マイコンμCに
より、プログラムに基づき演算を行ない、マイク
ロ波信号ピークの中点と光信号のピーク値の10％
値との時間差すなわち上死点に対する燃焼時期の
時間差信号やこの時間差のクランク角における角
度差信号を出力する。

表示部は、処理部が出力するかかる時間差
信号および角度差信号に基づき、燃焼時期および
クランク角度をアナログメーターAM１，AM２
およびデイジタル表示装置DD１，DD２，DD３
上に表示する。

上述の構成、作用よりなる本実施例装置は、簡
単なシステムによりエンジンの運転状態が変動し
ても精度良く上死点に対する燃焼時期を検出する
ことができるという利点を有する。

また、本実施例は、エンコーダの様なセンサー
を用いることなく、記憶した変換係数に基づきエ
ンジン回転に応じて上死点に対する燃焼時期をク
ランク角における角度として精度良く検出するこ
とができるという利点を有し、後の制御を確実な
ものにする。

さらに本実施例は、信号の算術平均により精度
を一層高めるとともに、統計処理により標準偏差
を常に監視することにより、エンジン、プローブ
の異常を検出することができるという利点を有す
る。

さらに本実施例は、システム化するに当り、ハ
ードとマイコンの夫々得意とする作業を夫々に分
担する様にハイブリツド化したため、マイクロ波
の様な速い現象の演算も容易にしたという利点を
有する。

さらに本実施例は、簡単なシステムであり、装
着および脱着が容易であり、且つ信頼性も高いの
で生産ラインなどにおいても充分実用に供し得る
という利点を有する。

以上実施例において、本発明の一例を詳細に説
明したが、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、特許請求の範囲の精神の範囲内で必要に応
じ要素の交換、削除および付加を行ない得るもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を説明するための各信
号のフローチヤートを示す線図、第２図ないし第
６図は、本発明の実施例装置を示す図で、第２図
は、実施例装置を示すブロツク図、第３図は実施
例装置のプローブを示す断面図、第４図は、本実
施例における処理部の各要素の出力信号を示すタ
イムチヤート図、第５図は、実施例に用いたマイ
コンの処理手順を示すフローチヤート図、および
第６図は実施例における時間−角度変換を説明す
るための信号波形を示す線図を示す。 図中は、マイクロ波部、はプローブ、は
処理部、は表示部、１はマイクロ波発振器、２
はサーキユレータ、３は検波器、４は中空筒状
体、５は筐体、７は導波管変換部、８は同軸エア
ライン内導体、１０，１１は石英窓、１４はフオ
トダイオード、１５はピーク検出部、１６は光信
号処理部、１７は時間差演算部である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定周波数のマイクロ波を発生するマイクロ
   波発振器と、送信および受信マイクロ波を分離す
   る送受分離器と、受信したマイクロ波を検波して
   低周波信号に変換する検波器とから成るマイクロ
   波部と、 燃焼室内にマイクロ波部の送受分離器から出力
   されたマイクロ波を放射するとともに反射波を受
   信するマイクロ波センサーと、燃焼室内の燃焼に
   伴なう発光状態を電気的に検出する光センサーと
   から成るプローブと、 マイクロ波部の検波器から出力されるマイクロ
   波信号のピークを検出するピーク検出部と、プロ
   ーブの光センサーから出力される光信号のピーク
   値を各サイクルにおいて検出するとともに光信号
   がそのピーク値の予め定めた割合の強度に達した
   時期を検出する光信号処理部と、ピーク検出部お
   よび光信号処理部から出力される信号に基づきマ
   イクロ波のピーク中点から光信号のピーク値の予
   め定めた割合の強度に達するまでの時間差を演算
   する時間差演算部とから成る処理部とから成り、 上死点に対する燃焼開始時期を検出するように
   したことを特徴とする燃焼時期検出装置。 ２ マイクロ波のピーク中点と光信号のピーク値
   の予め定めた割合の強度に達するまでの時間差を
   クランク角度へ変換するエンジン回転数に応じた
   係数を予かじめ求めて、エンジン回転数に応じた
   変換係数に従い前記時間差をクランク角における
   角度差に変換するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の燃焼時期検出装置。 ３ マイクロ波のピーク中点から光信号のピーク
   値の予め定めた割合の強度に達するまでの時間差
   を算術平均して演算するとともに、統計処理して
   標準偏差を求めて標準偏差が設定値内にあること
   を確認するようにしたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項および第２項記載の燃焼時期検出装
   置。