JPH0326957A - エンジンの燃焼ガス分析方法 - 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１ 本発明は、四重極質量検出器を利用したエンジンの燃焼
ガス分析方法に関するものである。

［従来の技術］ エミッンヨン性能あるいは燃費性能の向上を図るために
、電子制御システムを設けて混合気の燃焼制御あるいは
空燃比制御を行うようにしたエンジンは従来より知られ
ている。このような燃焼制御あるいは空燃比制御を効果
的に行うためには、制御情報として燃焼ガス組威あるい
は空燃比をリアルタイムで高精度に検出する必要がある
。なお、本願において燃焼ガスとは吸入空気に燃料が混
合された後における吸・排気の総称であり、燃焼の前後
を問わない。

そして、燃焼ガス組戊あるいは空燃比をリアルタイムで
検出するためのガス分析装置として、例えば第９図に示
すように、四重極質量検出器１０ｌを用いたものが知ら
れている（実開昭５８−２６６６０号公報参照）。第９
図に示すガス分析装置は、混合気の炭化水素量（空燃比
）を検出するためのものであるが、エンジンから抽出さ
れた試料ガス（混合気）を、空気と混合して酸化触媒を
用いたコンバータ１０２１こ導入し、試料ガス中の炭化
水素をすべて酸化して二酸化炭素に変えた後、第ｌ真空
ポング１０３によって減圧されｔ；第１１圧室１０４に
導入し、ここからさらに第２真空ボンブ１０５によって
減圧された高真空の第２減圧室１０６に導入し、この第
２減圧室１０６内の試料ガスの一部を四重極質量検出器
１０１に導入してその中の二酸化炭素量を検出し、この
二酸化炭素量から炭化水素量を算出するようになってい
る。

このような四重極質■検出器１０１を備えたガス分析装
置は、目的成分量の検出速度が非常に速いので（例えば
、１０ミリ秒）、エンジンの燃焼制御あるいは空燃比制
御に必要な制御情報をリアルタイムで検出することがで
きる。

［発明が解決しようとする課題〕 ところで、エンジンの燃焼室と、第９図に示すようなガ
ス分析装置とを連通ずる燃焼ガス抽出通路を設け、燃焼
室内の燃焼ガスを直接ガス分析装置に導入してこれをリ
アルタイムで分析する場合、燃焼室内の圧力が激しく変
化するのでこれに伴って四Ｊｉｍ質量検出器１０１が臨
設された第２Ｗｔ圧室１０６内の圧力（真空度）も変動
する。ところが、四重極質量検出器１０１では目的成分
の絶対量が計測されるようになっているので、第２減圧
室ｌ０６内の圧力が変化するとこれに伴って目的成分量
の検出値が変化する。そこで、このような場合には、一
般に第２減圧室１０６に圧力計を設けてその圧力（真空
度）を検出し、この検出値に基づいて圧力補正を行うよ
うにしている。しかしながら、このような高真空用の圧
力計はガス成分の種類によって感度が異なるので、上記
圧力補正にはかなりの誤差が伴われ、目的成分量の検出
値の精度が低くなるといった問題がある。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであっ
て、燃焼室内の燃焼ガスを直接的に高真空の減圧室に導
入し、これを四１ｌ極質量検出器で分析するようにした
エンジンの燃焼ガス分析方法において、燃焼室内の圧力
変化に伴って減圧室内の圧力が変化しても、目的成分量
を高精度で検出することができるエンジンの燃焼ガス分
析方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本願発明者らは、燃焼室内から直接的に燃焼ガスを減圧
室に導入し、これを四重極質量検出器で分析して目的成
分量を検出する場合において、燃焼室内の圧力が変化す
るとこれに伴って減圧室内の圧力も変化し、四重極質量
検出器で検出される各戒分のイオン強度が変化するが、
このような変化は各成分のイオン強度に対して均等な倍
率で作用するものと考え、各成分のイオン強度の比（イ
オン強度比）をとれば上記圧力変化分が打ち消され、し
たがってイオン強度比は減圧室内の圧力変化の影響を受
けないであろうと考えた。

これを確認すべく、燃焼室内に同一組戒の燃焼ガスを閉
じ込めてその圧力を種々変化させ、したがって減圧室内
の圧力を変化させ、目的成分のイオン強度と不活性成分
のイオン強度の比（イオン強度比）を計測したところ、
該イオン強度比は燃焼室内（減圧室内）の圧力が変化し
ても一定であるという結果が得られた（第３図参照）。

そして、燃焼室内の混合気に含まれる窒素等の不活性ガ
ス量は混合気の燃焼によって変化しない。

したがって、四重極質量検出器で目的成分のイオン強度
と不活性ガスのイオン強度の比（イオン強度比）を求め
るようにすれば、このイオン強度比と吸入吸気量とから
燃焼室内の目的成分量を求めることできると考えｔ；。

このような事実および考察に着目して、本発明は上記の
目的を達成するため、エンジンの燃焼ガスを抽出するた
めの燃焼ガス抽出通路と、該燃焼ガス抽出通路に接続さ
れるとともに真空排気手段によって高真空に減圧される
減圧室と、該減圧室に臨んで配置される四重極質量検出
器とを設け、燃焼ガスを燃焼ガス抽出通路を通して減圧
室に導入し、四重極質量検出器で減圧室に導入された燃
焼ガスの一部をイオン化するとともにその中の目的成分
のイオン強度を検出し、このイオン強度に基づいて目的
成分量を求めるようにしたエンジンの燃焼ガス分析方法
において、あらかじめ目的成分量が既知である標準ガス
に対して、目的成分のイオン強度と不活性成分のイオン
強度とを検出し、これらの両イオン強度から基準イオン
強度比を求め、この基準イオン強度比と目的成分量との
対応関係を求め、次に実際の燃焼ガスに対して、目的成
分のイオン強度と不活性成分のイオン強度とを検出し、
これらの両イオン強度からイオン強度比を求め、このイ
オン強度比と上記対応関係とから燃焼ガス中の目的成分
量を演算して求めるようにしたことを特徴とするエンジ
ンの燃焼ガス分析方法を提供する。

［発明の作用・効果１ 本発明によれば、目的成分のイオン強度と不活性戒分の
イオン強度の比（イオン強度比）が求められ、このイオ
ン強度比と、あらかじめ標準ガスで得られたイオン強度
比と目的成分１との間の対応関係とによって、目的成分
量が求められるが、上記イオン強度比は燃焼室内ないし
減圧室内の圧力によらず一定となる。したがって、燃焼
室内の圧力、したがって減圧室内の圧力が変動しても、
これに対する圧力補正を行うことなく、燃焼ガス中の目
的成分量を高精度で検出することができる。

なお、圧力補正を行わないので、減圧室用の圧力計を設
ける必要がなくなり、ガス分析装置を簡素化することが
できる。

［実施例１ 以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

〈第ｌ実施例〉 第ｌ図に示すように、エンジンＣＥは、吸気弁ｌが開か
れたときに吸気ボート２を介して吸気通路３から燃焼室
４内に混合気を吸入し、この混合気をピストン５で圧縮
して点火プラグ（図示せず）で着火燃焼させ、燃焼ガス
を排気弁６が開かれた時に排気ボート７から排気通路８
に排出するようになっている。

このエンジンＣＥに対して、燃焼室４内の燃焼ガス中の
目的成分量を検出するために四重極質量検出器９を備え
た燃焼ガス分析装置ＧＡが設けられている。この燃焼ガ
ス分析装置ＧＡには、上流側端部で燃焼室４と連通ずる
燃焼ガス抽出通路ｌｌが接続され、この燃焼ガス抽出通
路１１にはこれを所定のタイミングで開閉する電磁開閉
弁ｌ２が介設されている。

燃焼ガス分析装置ＱＡには、ロータリ式の第１真空ポン
ゾｌ３によって比較的低真空（例えば、１　０”Ｔｏｒ
ｒ）に減圧される第ｌ減圧室ｌ４と、ターボ分子ポンブ
ｌ５とロータリ式の第２真空ポンプｌ６とによって高真
空（例えば、Ｉ　Ｏ　−’Ｔｏｒｒ）に減圧される第２
減圧室ｌ７とが設けられている。

そして、燃焼ガス抽出通路１１の下流側端部は、第１減
圧室ｌ４のエンジン側の端面を貫通して反エンジン側の
端面のやや手前で第１減圧室ｌ４内に開放され、電磁開
閉弁ｌ２が開弁されたときに・は、燃焼室４内の燃焼ガ
スが燃焼ガス抽出通路ｌｌを通してまず第１減圧室ｌ４
に導入されるようになっている。

第２減圧室ｌ７は、第１減圧室ｌ４の反エンジン側の端
面に隣接して配置され、燃焼ガス抽出通路１１の下流側
端部と対向する位置において第１減圧室ｌ４と第２減圧
室ｌ７との仕切壁１８には両減圧室１４．１７を連通ず
る連通穴ｌ９が設けられている。この連通穴ｌ９の第１
減圧室１４側の開口部には、連通穴ｌ９を通して第１１
圧室１４から第２減圧室ｌ７に流入する燃焼ガスの流量
を規制するオリフィス２ｌが設けられている。

そして、第２減圧室ｌ７の燃焼ガス流れ方向に沿ったほ
ぼ中央部には燃焼ガス中の各成分をイオン化し、その中
の任意の成分のイオン種のイオン強度を検出できるよう
になった四重極質量検出器９が設けられている。この四
重極質量検出器９は、イオンソース部、レンズ系、四重
極電極、２次電子増倍管等を備えた普通の四重極質量検
出器であるので、その構造の詳しい説明は省略する。な
お、第２減圧室１７には、四重極質量検出滲９の上流側
と下流側とに、夫々第１バルブ２２と第２バルブ２３と
が設けられている。

ところで、四重極質量検出器９では、燃焼ガス中の目的
成分のイオン種のイオン強度と不活性ガス成分のイオン
種のイオン強度とが検出されるようになっているが、こ
れらの各イオン強度検出値は、制御用コンピュータ２４
に送られ、目的成分のイオン強度と不活性ガス成分のイ
オン強度の比（イオン強度比）が算出され、このイオン
強度比に基づいて燃焼ガス中の目的成分量が高精度で算
出されるようになっている。

以下、第２図に示す７ローチャートに従って、制御用コ
ンピュータ２４による燃焼ガス中の目的成分の検出方法
について説明する。

ステップＳｌでは、第２減圧室ｌ７に目的成分量が既知
である標準ガスが導入される。この標準ガスは、例えば
予め質量が測定された目的戒分ガスと空気とを混合して
調製すればよい。なお、標準ガスは燃焼室４を経由せず
直接燃焼ガス分析装置ＧＡに導入してもよい。

ステソプＳ２では、標準ガス中の不活性成分ガスのイオ
ン強度と目的成分ガスのイオン強度とが測定される。不
活性成分ガスとしては、窒素あるいはアルゴンを選択す
ればよい。イオン強度の検出は、一般の四重極質量検出
器の場合と同様、イオンソース部で標準ガスをイオン化
し、これらの各イオンをレンズ系で収束させてイオンビ
ームを形成し、このイオンビームを四重極電極に導入し
て検出すべき成分以外の成分を取り除き、検出すべき成
分のイオンビームのみを２次電極増倍管に導入してその
電流値（イオン強度）を検出するといった方法で行なわ
れる。

ステップＳ３では、標準ガスについて、目的成分ガスの
イオン強度と不活性成分ガスのイオン強度との比（基準
イオン強度比）が算出され、この基準イオン強度比と標
準ガス中の目的成分量との間の対応関係が制御用コンピ
ュータ２４内のメモリに記憶される。

ステップＳ４では、制御用コンピュータ２４からの信号
によって所定のタイミングで電磁開閉弁ｌ２が開かれ、
燃焼室４から燃焼ガス分析装置ＧＡに試料ガス（燃焼ガ
ス）が導入される。この試料ガスは、まず第１？Ｊｔｃ
圧室ｌ４内に導入され、才リフィス２ｌで流量が調整さ
れ、第２減圧室ｌ７内に導入された後、その一部が四重
極質量検出器９に導入される。

ステップＳ５では、試料ガス中の不活性成分ガスのイオ
ン強度と目的成分ガスのイオン強度とが検出される。イ
オン強度の検出方法は前記した標準ガスの場合と同様で
ある。

ステップＳ６では、燃焼ガス（試料ガス）について、目
的威分ガスのイオン強度と不活性成分ガスのイオン強度
との比（イオン強度比）が算出され、このイオン強度比
と、メモリに記憶された標準ガスについての基準イオン
強度比と目的成分量との間の対応関係とから、燃焼ガス
中の目的成分量が算出される。この場合、前記したとお
りイオン強度比は燃焼室４内ＣＪＶＩ減圧室ｌ７内）の
圧力には影響されないので、目的成分ガス量の検出値も
、燃焼室４内（第２減圧室ｌ７内）の圧力には影響され
なくなる。

燃焼室４内の圧力を種々変化させて、同一組或の試料ガ
スに対して、目的成分ガス（ＣＯ２）と不活性成分ガス
（Ｎ２）との間のイオン強度比を測定した結果を第３図
に示す。第３図から明らかなように、イオン強度比は燃
焼室４内の圧力が変化しても一定である。したがって、
燃焼室４内の圧力（第２減圧室ｌ７内）の圧力が変動し
ても、これにかかわりなく常に高柄度で燃焼ガス中の目
的成分ガス量を測定することができる。

ステップＳ７では、燃焼ガスの分析を続行するか否かが
判定され、分析を続行する場合（ＹＥＳ）はステップ５
４〜ステップＳ７が繰り返して実行される。

なお、本発明は第ｉ実施例のように燃焼室４内の燃焼ガ
スの分析だけではなく、排気通路内の排気ガスの分析、
あるいは吸気通路内の混合気の分折ｌこも適用すること
ができる。

く第２実施例〉 本発明は空燃比（Ａ／Ｆ）のリアルタイムな測定にも適
用される。以下、本発明を空燃比（Ａ／Ｆ）の測定に適
用した第２実施例について説明する。

第４図は、四重極質量検出器９を備えた混合気の空燃比
（Ａ／Ｆ）を検出するための空燃比検出装置ＦＡである
が、その各部の構戊は第ｌ図に示す燃焼ガス分析装置と
ほぼ同一であるので、同一の構造・機能を有する部材に
は第１図と同一番号を付してその説明を省略する。

一般的に、四重極質量検出器を用いて混合気を分析し、
空燃比を算出する場合、本来は燃料（混合気）を構或す
るすべての種類の炭化水素と空気の構或戒分のｌつ（例
えば酸素）の含有量を検出すべきであるが、燃料を構戒
する炭化水素は非常に多種にわたるので、すべての種類
の炭化水素量を検出しようとすると検出ｌこ時間がかか
り過ぎ、リアルタイムな検出が実質的に不可能となる。

そこで、第９図に示す前記の四重極質量検出器１０１を
備えた空燃比測定用のガス分析装置では、試料ガス中の
全炭化水素を酸化触媒を用いたコンバータ１０２で二酸
化炭素に変え、試料ガス中の二酸化炭素量を測定し、こ
の二酸化炭化量から全炭化水素量を算出するようにして
いる。しかし、この方法では炭化水素を酸化して二酸化
炭素に変えるのにやや時間がかかるので、応答性が悪く
なるといった問題がある。

また、コンバータ１０２内の酸化触媒は、第１０図に示
すように、試料ガス温度が３００゜Ｃ以上に保持されな
いと活性が低下する。このため、コンバータ１０２に試
料ガス加熱装置を設けなければならず、ガス分析装置の
構造が複雑化するといった問題がある。

そこで、本出願人は試料ガス中に含まれる炭化水素中、
数種の代表的成分（例えば、Ｃ，〜Ｃ６成分）を選択し
、これらの代表的成分についてのみイオン強度を測定し
てその含有量を測定し、上記代表的成分量と全炭化水素
量との間の一般的な相関関係に基づいて、試料ガス中の
全炭化水素量を算出するようにしたガス分析方法を提案
している（特開昭６３−２６２５６１号公報参照）。し
かしながら、この分析方法によれば、エンジンの高回転
域では、算出された空燃比（Ａ／Ｆ）が実際の空燃比（
Ａ／Ｆ）より若干リーン側にずれるといった現象が生じ
ている。

そこで、本願発明考らはその原因について詳細な検討を
行い、次のような結論を得た。

■高回転域では混合気の温度が上昇するが、混合気の温
度が高くなると、測定の対象となる代表的成分（例えば
、Ｃ，〜Ｃ８成分）が測定の対象とならない低分子量の
炭化水素（例えば、Ｃ４成分）に熱分解される。第５図
に、普通のガソリンを、常温〜３５０℃に変化させた場
合の、Ｃ４〜Ｃ６成分の変化の特性を示す。第５ｒｙＪ
から明らかなように、ほぼ１８０℃以上では、と〈にＣ
，〜Ｃ．威分が熱分解し、これによって従来は測定の対
象とされていなかったＣ，成分が大幅に増加しているこ
とがわかる。

なお、５０゜Ｃと２５０°Ｃの混合気を四重極質量検出
器９で実際に分析したときのマススペクトルを、夫々第
６図と第７図とに示す。第６図と第７図とから、２５０
゜Ｃでは、分解成分のイオン種（電荷比ｍ／ｅ−４１）
等が検出される一方、燃料の代表的イオン種（１荷比ｍ
／ｅ＝９１．１０５）が減少している。また、電荷比ｍ
／ａ−２８と７Ｉｌ．荷比ＩＩｌ／ｅ一３２のマスフラ
グメントは、夫々吸入空気による窒素イオンと酸素イオ
ンとをあらわしている。

■しかし、全炭化水素中のある種の成分が熱分解しても
、炭化水素の種類が変わるだけで、全炭化水素量（質量
）は変化しない。したがって、代表的成分量と全炭化水
素量の比（相関関係）が、分解前の燃料の代表的成分量
と全炭化水素量の比より小さくなる。

■このため、従来の算出方法では熱分解により減少した
代表的成分量に相当する分だけ、全炭化水素量を低く算
出することになり、これに基づいて算出される空燃比（
Ａ／Ｆ）が実際よりリーン側にずれる。

このような事実に着目して、第２実施例では、空燃比検
出装置ＦＡ（四重極質量検出器９）で、従来の代表的成
分（例えば、Ｃ，−Ｃ，成分）のイオン種（例えば、電
荷比ｍ／ｅ−５６．７８．９　１，１０５）に加えて、
これらの分解成分（例えば、Ｃ４成分）のイオン種（例
えば、電荷比ｍ／ｅ＝４１）についてもイオン強度を検
出し、これらの成分量（例えば、Ｃ，〜Ｃ，成分）と全
炭｛Ｌ水素量との相関関係に基づいて全炭化水素量を算
出するようにしている。

なお、空気量は窒素（電荷比ｍ／ｅ−２８）あるいは酸
素（電荷比ｍ／ｅ−　３　２　）のイオン強度を検田す
ることによって算出され、上記全炭化水素量と空気量と
がら空燃比（Ａ／Ｆ）が算出される。

第８図に示すように、第２実施例による、分解戒分を含
めた検出方法（直線Ｈｌ）では燃焼室温度にかかわりな
く全炭化水素量を１００％検出できているが、代表的成
分のみを対象とする従来の検出方法（曲線ＨＺ）では、
燃焼室温度の上昇とともに全炭化水素量の検出率が低下
する。このため、従来の検出方法では、３５０゜Ｃで空
燃比（Ａ／Ｆ）の検出値が１　８．３（実際はＡ／Ｆ＝
１４．７）とリーン側にずれている。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は、本発明の第１実施例を示す、エンジンと燃焼
ガス分析装置のシステム構戊図である。 第２図は、第１図に示す燃焼ガス分析装置による燃焼ガ
スの分析方法を示すフローチャートである。 第３図は、第ｌ実施例における、イオン強度比の燃焼室
内圧力に対する特性を示す図である。 第４図は、本発明の第２実施例を示す、空燃比検出装置
のシステム１１？戊図である。 第５図は、混合気中の炭化水素成分の燃焼室内温度によ
る変化の特性を示す図である。 第６図と第７図とは、夫々５０゜Ｃと２５０゜Ｃとにお
ける、混合気のマススペクトルの例を示す図である。 第８図は、第２実施例の炭化水素検出方法による全炭化
水素量検出率と従来の検出方法による全炭化水素量檜出
率の燃焼室隘度に対する特性を示す図である。 第９図は、四重極質承検出器を備えた従来の空燃比測定
用のガス分析装置のシステム構戊図である。 第１０図は、第９図に示すガス分析装置のコンバータの
酸化触媒の炭化水素酸化率のガス温度に対する特性を示
す図である。 ＣＥ・・エンジン、ＧＡ・・・燃焼ガス分析装置、ＦＡ
・・・空燃比検出装置、４・・・燃焼室、９・・・四重
極質量検出器、１１・・・燃焼ガス抽出通路、ｌ２・・
・電磁開閉弁、ｌ３・・・第１真空ボンブ、１４・・・
第ｌ減圧室、ｌ５・・・ターボ分子ポンプ、Ｉ６・・・
第２真空ポンプ、ｌ７・・・第２減圧室、２４・・・制
御用コンピュータ。 第　２　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンの燃焼ガスを抽出するための燃焼ガス抽
   出通路と、該燃焼ガス抽出通路に接続されるとともに真
   空排気手段によって高真空に減圧される減圧室と、該減
   圧室に臨んで配置される四重極質量検出器とを設け、燃
   焼ガスを燃焼ガス抽出通路を通して減圧室に導入し、四
   重極質量検出器で減圧室に導入された燃焼ガスの一部を
   イオン化するとともにその中の目的成分のイオン強度を
   検出し、このイオン強度に基づいて目的成分量を求める
   ようにしたエンジンの燃焼ガス分析方法において、 あらかじめ目的成分量が既知である標準ガスに対して、
   目的成分のイオン強度と不活性成分のイオン強度とを検
   出し、これらの両イオン強度から基準イオン強度比を求
   め、この基準イオン強度比と目的成分量との対応関係を
   求め、次に実際の燃焼ガスに対して、目的成分のイオン
   強度と不活性成分のイオン強度とを検出し、これらの両
   イオン強度からイオン強度比を求め、このイオン強度比
   と上記対応関係とから燃焼ガス中の目的成分量を演算し
   て求めるようにしたことを特徴とするエンジンの燃焼ガ
   ス分析方法。