JPH07508582A

JPH07508582A - 内燃機関用発光状態検出装置、エンジンの運転方法及び温度検出方法

Info

Publication number: JPH07508582A
Application number: JP2501543A
Authority: JP
Inventors: レムボスキ　ドナルド　ジェイ　ジュニア
Original assignee: バラック　テクノロジー　リミテッド
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1989-09-06
Publication date: 1995-09-21
Also published as: KR910700446A; AU4813890A; WO1990006499A1; US4891970A; EP0407520A1; CA1329016C; AU633863B2; EP0407520A4

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】内燃機関用発光状態検出装置、エンジンの運転方法及び温度検出方法（発明の背景技術）本発明は内燃機関用の発光状態検出装置、内燃機関を運転させる方法及び内燃機関の構成部分の温度を測定する改良された方法に関する。

発光状態検出装置を使用して内燃機関の燃焼室内で生じている燃焼過程を解析するための努力がなされている。このような検出装置は通常、燃焼室内の発光状態と関連した電気信号を出力するフォトダイオードに燃焼室からの光を伝達する何らかの形の窓またはプローブを採用している。このような形式の装置はある程度の実験的目的にまたエンジンのノックのような異常な作動状態の検出に利用されているが、この信号は多数のエンジンの運転パラメータを測定したり制御するのにも利用できることが判明した。このＩＪＫ埋の応用は、何れもスチーブンエル。

プリー他の名前で提出された、米国特許出願番号１９３，９１８に係る１９８８年５月１３日付は出願の「エンジンの運転方法」と題する同時俤属出願及び、米国特許出願番号２６８，６８２に係る１９８８年１１月３日付は出願の「エンジンの運転及びある運転パラメータの測定方法」と題する前記出願の部分継続出Ｉｔｌ！（弁護士事件整理番号５４４２−００３）に開示されている。これらの開示は参考文献としてここに取り入れられる。

前述の同時俤属出園で言及したように１発光状態検出装置の使用はエンジンの測定だけではなくエンジンの制御にも非常に重要な手段を提供できる。行うことができる種々の形式の可能な制御及び測定はそれらの出願に開示されておりここに繰り返す必要はない。

燃焼室内の状態を検出するための発光状態検出装置の応用においては、多くの問題が発生する。特に、発光状態検出装置は。

通常シリンダヘッド内またはその近くに設けられたフォトダイオードを採用している。よく知られているように、応答性（光に対する感度）及び時には逆飽和電流と呼ばれる暗電流（光がない状態における装置の出方）は温度に応じて変化する。

よく知られているように、エンジンの構成部分はエンジンの運転中に相当な温度変動を受ける。燃焼室は通常シリンダヘッド内に形成され１発光状態検出装置はそこに設けらるので、最大または最大に近い温度変動が存在する場所に位置している。

例えば、極寒の始動状態では検出器は一３０’Ｆという温度にさらされるかも知れない。他方では、暖機後には検出器は３００’Ｆに達するかも知れない、もちろん、これらの温度変動並びに抵抗率及び暗電流に対するその影響は、前述のように、エンジンの測定または制御のためのこれらの装置の使用に関連して問題を提起する。

従って１発光状態検出装置により内燃機関内の発光状態を測定するための改良された装置を提供することが本発明の主要な目的である。

更に、測定及び制御目的のための内燃機関用の自動的温度補償がなされた発光状態検出装置を提供することが本発明の次の目的である。

前に言及したように、フォトダイオードの暗電流はエンジン温度により変動する。従って、ｔＡ度補償をすることにより発光状態検出装置の感度における変化を補償するための改良された装置を提供することが本発明の他の目的である。

更に、温度変動に対して補償を行う発光状態検出装置を使用してエンジンの運転パラメータを測定しまたエンジンを＠御するための改良された方法を提供することが本発明の次の目的である。

フォトダイオードの暗電流が温度で変動するという事実を考慮して、フォトダイオードは発光状態の測定に加えて他の目的にも利用できることが判明した。例えば、フォトダイオードをエンジンの構成部分と熱交換を行う関係に位置させることにより、エンジンの構成部分の温度がフォトダイオードの暗電流を検出することにより測定できる。

従って、エンジンの構成部分の温度を測定するための改良された簡単な装置を提供することが本発明の更に次の目的である。

（発明の要約）本発明の第１１の特徴は燃焼室を有する内燃機関のための発光状態検出装置に具体化して適用される。光プローブが、少なくとも燃焼室の一部を構成するエンジンの本体を通して、燃焼室からの光を前記本体に対して固定されたフォトダイオードに伝達するために、燃焼室内に設けられる。フォトダイオードは。

エンジンの運転データを取り出す電気的モジュールに伝達するための電気信号を発生する。発明のこの特徴に従って、フォトダイオードは、検出器により測定される波長に対してゼロ温度係数の範囲で作動するように、製造されてバイアスされる。

本発明の他の特徴は前段で述べた光プローブ及びダイオードにより燃焼室内の発光状態を測定するための方法に具体化して適用される。発明のこの特徴に従って、フォトダイオードの出力が燃焼室内に発光状態が存在しないときに測定されて、この読みは燃焼室内に発光状態が存在する時期の間になされた他の全ての読みから差し引かれて温度補償された結果を与える。

本発明の更に次の特徴は、燃焼室を構成するエンジン本体を通して燃焼室からフォトダイオードへ光を伝達するための燃焼室内の光プローブからなるエンジン用発光状態検出装置と結合された。エンジン温度測定方法に具体化して適用される。フォトダイオードは熱交換を行う関係に本体に設けられて、フォトダイオードの出力は燃焼室内に発光状態が存在しないときに測定される。測定された値は次いでダイオードの暗電流に対する温度係数特性と対照されて温度を示す出力信号を与える。

（図面の簡単な説明）ただひとつの図面は、本発明の実施例に従って構成されて作動される発光状態検出装置を含む内燃機関のシリンダを通る横断面図である。

（好ましい実施例の詳細な説明）ただひとつの図面を参照すれば、多気筒内燃機関は全体として符号１１により示されている。本発明は特に多気筒内燃機関に有用であるが、本発明のある種の側面は単気筒内燃機関にも適用できることは理解されるべきである。また、本発明は往復型のエンジンにより説明されているが１本発明の原理はロータリー型のような非往復型のエンジンや２サイクル及び４サイクルで作動するエンジンにも利用可能である０本発明のある種の側面は発光状態が検出される場合、またはいずれ明らかになるように温度が測定されるべき場合に、他の装置にも利用することもできる。

本発明は主として燃焼室及びその内部の状態に向けられているので、燃焼室のひとつを通る横断面図のみが本発明を理解するのに必要であると考えられる。この横新面図は内部にピストン１４が往復可能に支持されたシリンダボア１３を有するシリンダブロック１２を示している。ピストン１４は連接棒（図示省略）を介して、エンジンからの出力を与えるクランク軸に連結されている。

シリンダヘッド１５は公知のやり方でシリンダブロック１２に取り付けられ、シリンダボア１３及びピストン１４の頭部と協同して、以後は時に燃焼室と呼ぶ可変容積室を規定する凹所１６を構成している。

吸気ポート１７及び排気ボート（図示省略）はシリンダヘッド１５を通って延びて燃焼室１６と連通しており、燃焼室１６内にチャージを導入し燃焼室から燃焼ガスを排出するためにポペット型の吸気及び排気弁（図示省略）によりａｍされている。

燃焼室１６内に導入されるチャージは純粋な空気でもよいし、コートタイプまたはスロットルボディタイプの燃料噴射装置または気化器の様な適当なチャージフォーマにより形成された燃料／空気混合物でもよい。また、もし純粋な空気が吸入されるならば、燃焼室１６内に燃料を噴射して燃料／空気混合物を形成するために直接筒内噴射を採用することになろう。燃料／空気比は、絞り弁、燃料制御弁、噴射期間、噴射時期などの広範囲な種々の公知のやり方の何れかで制御することができる。

エンジン１１はディーゼル式でも火花点火式でもよいが制御装置を用いる形式であり、発光状態検出の種類はエンジンの形式により異なる。以下の論議は主として火花点火式エンジンに関するものである。もしエンジン１１がディーゼル式ならば。

燃焼は直接筒内燃料噴射の時期またはディーゼルエンジンに通常採用されるその他の公知のやり方の何れかにより開始される。

一方、もしエンジン１１が火花点火式ならば、点火栓がシリンダヘッド１５に取り付けられそれの火花間隙は燃焼室１６内に露出される０点火時期は従来型の何れか適当な装置により制御されるが、火花点火の時期は前に言及した同時継続特許出願で述べたパラメータに関連して変化される。

前に言及したように１本発明は広範囲な種々の従来型の内燃機関のどれにも具体化可能であり、この理由によりこの技術に習熟した者にとって本発明がどの様に実施できるかということを理解するためにはエンジン構造の細部は必要でない、しかしながら１本発明によれば燃焼室１６内には全体が符号１８により示された発光状態検出装置が設けられている。発光状態検出装置１８は、シリンダヘッド１５を通り抜けて燃焼室１６に達する端部を有する光フアイバプローブ１９または他の形式の光学通路を含んでいる。

光フアイバプローブ１９は圧入により正しい位置に保持されており、光遼蔽ハウジング２２内で検出器２３の近くに配置された外端を有している。使用する検出器２３の種類は測定するパラメータにある程度依存することがわかった。特に、検出器の種類は、それからの放射がシリンダ内で測定される一つまたは複数のガスに相当程度依存する。

燃焼室内で白熱しているガスからのさまざまな放射が測定可能であり、具体的に特に重要であると判明したものはＯＨの放射。

Ｃ）ｌの放射、Ｃ２の放射、及び／またはＨ２Ｏの放射である。特定の放射に対して使用する検出器の種類は異なる。しかしながら、主としてＨ２Ｏの放射で作動させるならば、強い信号が存在し、またシリコンフォト検出器のようなそれほど高価でない検出器を使用することができる。

正面にモノクロメータまたは光学フィルタを設けるのが望ましい、検出器２３は導線２４を通して遠方に位置するモジュール２５に電圧信号を出力する。検出器２３が、検出器２３に与えられるバイアス電圧を含む一般的に知られた形式の検出回路と共に利用されるということは、理解されるべきである。

よく知られているように、フォトダイオードの出力信号はそれに当たる光の量に加えて多数の要因に依存している。例えば。

フォトダイオードすなわち検出器２３の電気的出力は大きな部分がその温度に依存している。検出器２３はシリンダヘッド１５に取り付けられているので、大きな温度変動が予期される。

前に言及したように、検出器２３は冷間始動の間は一３０°Ｆのような低い温度で作動するかも知れない。他方、暖機期間の後は、検出！１２３の温度は３００ °Ｆのような高温かも知れない。このような広い温度変動は出力信号に重大な差を生じ１本発明の特徴に従って、温度変動に応じた変動を制限するためだけでなくそれを補償するための装置が設けられる。実際は、いずれ述べるように、検出器２３はシリンダヘッドの温度を検出するために利用される。

測定される波長、それも特に）！２０の放射にとりわけ関係した波長に関連して、シリコンフォトダイオードを採用することが可能である。よく知られているように、検出器の温度係数は変動し、短い波長では温度係数は負になる傾向がある。長い波長では温度係数は正になる傾向がある。しかしながら、検出器の有効範囲の中程の波長では、温度係数はほぼゼロであり、従って。

測定される波長においてそのようなゼロ温度係数を有する検出器を採用することが望ましい。これに加えて、フォトダイオードの温度係数は製造工程の間に変化され、そこで製造工程はフォトダイオードがゼロ温度係数範囲で作動するようにすべきである。更に、ダイオードが作動される際のバイアス電圧も温度係数に影響を与え、そこでバイアスもダイオードすなわち検出器２３がゼロ温度係数範囲で作動するように選択されるべきである。

従って、測定される波長と関連させるように検出器２３の材料を適切に選択し、またそのバイアスを調整することにより。

そして差し支えない範囲内で製造技法を変えることにより、温度補償の必要なしに装置を作動させることが可能である。

たとえ検出器２３が主としてゼロ温度係数の範囲内で作動されるとしても、この範囲外で装置が作動するように利用される状態がある。例えば、検出器の暗電流、燃焼による発光状態がない時期の間の出力、は温度と共に変動する。しかしながら、燃焼による発光状態がないときの暗電流を測定して、この値を燃焼している時期の間になされた全ての読み取り値から差し引くことにより、温度による暗電流のための変化は補償される。

モジュール２５内の簡単な和回路がこの補償をするのに利用できる。好ましくは、この調整をするために暗電流の測定は作動サイクル毎に１回行うのがよい。

暗電流が温度によっても変動するという事実は、検出器２３は発光状態信号を与えるほかに温度信号も与えることができることを意味する。これを行う方法は検出器２３をシリンダヘッド１５と熱交換を行う関係におくことによってであり、それから前述のように燃焼による発光状態がないときに暗電流が測定される。そしてモジュール２５は暗電流状態での検出器２３の温度係数と関連させて温度を指示する出力信号を与えるようにプログラムされる。

もしフォトダイオードが非ゼロ応答温度係数の範囲内で使用されるならば、ダイオードの温度はシリンダヘッドの温度が測定されると同じやり方で測定でき、モジュール２５は温度補償を与えるようにプログラムすればよい。しかしながら、本装置は前述のようにそのゼロ温度係数の範囲内で作動させるのが好ましい。

前に言及したように、測定された出力は、先に言及した譲受人の同時継続特許出願で述べたやり方で、所望の情報を与えたりまたはエンジンを制御するのに利用できる。このことを考慮すれば、ａｍパラメータ及び制御システムのこれ以上の解説は記述の必要はない。

以上の記述から、非常に有効な発光状態検出装置及びエンジらかであろう。本発明の一実施例が開示されているが、添付した請求の範囲により定義したような本発明の趣旨及び範囲から外れることなく種々の変更及び変形が可能である。

国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼室と、この燃焼室の少なくとも一部を構成するエンジンの本体を通して同燃焼室からの光を伝達するための同燃焼室内の光プローブ手段と、この光プローブに対しそれからの光を受け入れる受光関係に前記本体に対し固定されてエンジンの運転データを与える電気的モジュールへ伝達するための電気信号を発生するフォトダイオードを有する内燃機関用発光状態検出装置において、前記フォトダイオードが前記検出装置により測定される波長に対しゼロ温度係数の範囲内で作動するように製造されてバイアスされている改良。
（２）請求項１に記載の発光状態検出装置において、前記燃焼室内に燃焼による発光状態が存在しないときに前記フォトダイオードの出力を測定してその測定値をそれに続く燃焼室内に燃焼中の発光状態が存在するときになされた測定値から差し引いて温度補償がなされた信号を与える手段を含む測定回路と組み合わせた装置。
（３）請求項１に記載の発光状態検出装置において、前記燃焼室内に燃焼による発光状態が存在しないときに前記フォトダイオードの出力を測定しこのフォトダイオードの温度特性と関連させて前記出力から温度信号を与える手段を更に含む装置。
（４）請求項３に記載の発光状態検出装置において、前記燃焼室内に燃焼による発光状態が存在しないときに前記フォトダイオードの出力を測定してその測定値をそれに続く燃焼室内に燃焼中の発光状態が存在するときになされた測定値から差し引いて温度補償がなされた信号を与える手段を含む測定回路と組み合わせた装置。
（５）燃焼室と、この燃焼室の少なくとも一部を構成するエンジンの本体を通して同燃焼室からの光を伝達するための同燃焼室内の光プローブ手段と、この光プローブに対しそれから伝達される光を受け入れる受光関係に前記本体に対し固定されてエンジンの運転データを取り出す電気的モジュールへ伝達するための電気信号を発生するフォトダイオードを有する内燃機関からの発光状態信号を与える方法であって、前記フォトダイオードにより発生された電気信号を前記燃焼室内に燃焼による発光状態が存在しないときに測定すること、燃焼が存在しているときに燃焼室内の発光状態を測定すること、及び最初に測定された信号を次に測定された信号から差し引いて温度に対する補償がなされた発光状態を示す信号を与えることの各ステップからなる方法。
（６）最初に測定された信号をフォトダイオードの温度特性と対照することにより温度測定値を与えるステップを更に含む請求項５に記載の発光状態信号を与える方法。
（７）燃焼室と、エンジンの本体を通して前記燃焼室からの光を伝達するための同燃焼室内の光プローブ手段と、熱交換関係にまた前記光プローブからの光を受け入れる受光関係に前記本体に対し固定されてエンジンの運転データを取り出す電気的モジュールへ伝達するための電気信号を発生するフォトダイオードを有する内燃機関の本体の温度を測定する方法であって、前記フォトダイオードの出力を前記燃焼室内に燃焼による発光状態が存在しないときに測定すること、及び前記フォトダイオードの暗電流温度特性から温度を定めることの各ステップからなる方法。