JPH07103895A - 排気成分濃度検出装置 - Google Patents
排気成分濃度検出装置Info
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- JPH07103895A JPH07103895A JP5268463A JP26846393A JPH07103895A JP H07103895 A JPH07103895 A JP H07103895A JP 5268463 A JP5268463 A JP 5268463A JP 26846393 A JP26846393 A JP 26846393A JP H07103895 A JPH07103895 A JP H07103895A
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Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 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。 【構成】 エンジンの排気通路1を挟んで、特定波長の
光を照射する照射手段2(光源4、プリズム5)と、照
射手段2からの入射光強度I0 を検出する受光素子3と
を配設し、これら要素2、3からの信号をデ−タとし
て、算出装置6がランバ−ト・ベ−ルの法則による関係
式に基づいて、各種排気ガス成分濃度を検出する。
ルタイムで検出する。 【構成】 エンジンの排気通路1を挟んで、特定波長の
光を照射する照射手段2(光源4、プリズム5)と、照
射手段2からの入射光強度I0 を検出する受光素子3と
を配設し、これら要素2、3からの信号をデ−タとし
て、算出装置6がランバ−ト・ベ−ルの法則による関係
式に基づいて、各種排気ガス成分濃度を検出する。
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
=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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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=103.33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、
67nm、吸光係数ε=103.33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。
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。
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。
【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。
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。
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。
-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。
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。
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。
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。
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
Claims (7)
- 【請求項1】 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ている、
ことを特徴とする排気成分濃度検出装置。 - 【請求項2】 請求項1において、 前記照射手段が照射する光の特定波長が、600、40
0、340、290、260、255、225、21
5、211、192、190、182、149、14
8、146、133、128、112nmのいずれかで
ある、ことを特徴とする排気成分濃度検出装置。 - 【請求項3】 請求項1又は2において、 前記照射手段が照射する光の特定波長が、600、25
5nmからなる第1グル−プ、400、215、18
2、146、128、225、340、260nmから
なる第2グル−プ、290、192、149、211n
mからなる第3グル−プ、190、148、133、1
12nmからなる第4グル−プの各グル−プの中から一
つが選択されたうちの一つもしくは複数である、ことを
特徴とする排気成分濃度検出装置。 - 【請求項4】 請求項1において、 前記照射手段が照射する光の特定波長が、190、14
8、133、112nmのうちの一つもしくは複数とさ
れ、 前記算出手段が、排気中のCO2 成分濃度を算出するよ
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。 - 【請求項5】 請求項4において、 前記算出手段が、空燃比λが理論空燃比λ0 よりも小さ
い領域において、算出した前記CO2 成分濃度[CO
2 ]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。 - 【請求項6】 請求項4において、前記算出手段が、空
燃比λが理論空燃比λ0 よりも大きい領域において、算
出した前記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。 - 【請求項7】 請求項1において、 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[CO
2 ]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、 前記第2算出手段が、前記第1算出手段の算出による
[CO2 ]/[H2 O]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C
O2 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。
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- 1993-09-30 JP JP26846393A patent/JP3411348B2/ja not_active Expired - Fee Related
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