JPS6212827A - エンジンの燃焼圧検出装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はエンジンの燃焼圧検出装置に係り、特に光ファ
イバを使用した燃焼圧検出装置疋関する。

〔発明の背景〕

エンジンの燃焼圧力を検出する方法として、圧電式、半
導体式、容量式などの圧力センサが知られている。しか
し、これらの方式はいずれも高電圧、高温、高圧力の悪
環境下で長時間、高精度に燃焼の圧力を検出するのは困
難であシ、車載可能なものはない。上記の悪環境下で、
燃焼時の圧力を高精度に検出可能な方式として、光フア
イバ技術を応用した圧力センサが考えられる。従来から
知られている光ファイバ応用圧力センサとして例えば特
開昭５９−６０３３４号公報に示されているセンサがあ
る。

このようなセンサをエンジンの燃焼圧検出装置に使用す
る場合、エンジンの燃焼温度のため非常に広範囲に検出
装置の温度が変化し、正確に燃焼圧を検出できない欠点
がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は温度変化等のための悪い環境下でも正確
に燃焼圧を検出できる燃焼圧検出装置を提供することＫ
ある。

〔発明の概要〕

本発明は特定のエンジン状態での光検出量を基に校正す
る手段を設けたことである。

具体的には２つの方式がある。第１の方式は、エンジン
の特定状態、例えばシリンダが下死点の光反射出力と予
定値とを対比して校正値を決定しこの校正値で光反射出
力を校正する方式である。

他の方式は上記特定状態での反射光が予定値になるよう
に発光手段の出力を制御する方式である。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例の検出部の概略構成を第２図に示す。

検出部はホウケイ酸ガラス製のパイプ１゜パイプ中に耐
熱性の接着剤で固着された光ファイバ２及びガラスパイ
プの端面に陽極接合で接着されたシリコンダイアフラム
３よりなる。

ガラスパイプ１中に固着された光７アイパ２の状態を第
３図に示す。図において、ガラスパイプ１中の孔内に投
光用光ファイバ２１と受光用光ファイバ２２よりなるバ
ンドルファイバが粉末ガラスなどの無機系の耐熱性接着
剤４で固着される。

ファイバの固着後、ガラスパイプ１、投光用光ファイバ
２１及び受光用光ファイバ２２の端面が同一平面上にな
るように、鏡面状態へ研磨仕上げされる。ガラスパイプ
１の端面を鏡面状態にすることによって、この端面へ陽
極接合（高電圧、高温下での電気化学的な接合方法）で
シリコンダイアフラムを高強度に接着することが可能に
なる。ガラスパイプ１、投光用光フアイバ２１％受光用
光フアイバ２２及び耐熱性接着剤４は全てガラス質など
の無機材料で構成されており、これらの構造体は周囲温
度の変化に対して熱歪が発生しにくい。

それ故、これらの構造体は接着部などで割れが発生しに
くい。また、ガラスパイプ１と投光、受光用光ファイバ
の端面位置は周囲温度が変化しても。

はぼ同一平面上に保たれる。本センサはシリコンダイア
フラムと光フアイバ間の距離に応じて、投光用光ファイ
バ２１からシリコンダイアフラムを介して受光用光ファ
イバ２２に至る反射光量から燃焼圧力を測定するもので
ある。

以下に１反射光量を利用した燃焼圧力の測定方法につい
て説明する。反射光量とギャップの関係を第４図に示す
。光ファイバの半径をｒ、シリコンダイアフラムと光フ
アイバ端面の間隙（ギャップ）をｔとすると、反射光量
は図のようになる。

即ち１反射光量Ｑはｔ／ｒ−ｍＯ，３５で最大になる。

われわれの実験では、図のａ領域及びｂ領域で燃焼圧力
をリニアに検出できることが分った。検出部の小型化に
関しては、反射光量変化の大きいａ領域が望しい。

次に、エンジン燃焼圧の検出装置の一実施例を第１図に
示す。測定系は検出部５、バンドル光ファイバ６及び学
習校正部７から構成される。学習校正部７はＬＥＤなど
の発光素子８、シリコン・ピン・ホトダイオードなどの
受光素子９、信号処理回路１０よシなシ、下死点センサ
１１の信号知基づいて発光素子８の発光量を制御してい
る。一方、信号処理回路１０は燃焼圧力Ｐに比例した出
力電圧Ｅ。をエンジン制御用のマイクロコンピュータ１
２に伝送する。

なお、検出部５におけるシリコンダイアフラムはほぼ類
似の熱膨張係数を有するガラスパイプに接着固定されて
おシ、エンジンの燃焼温度によって検出部５の温度が広
い範囲で変化しても、燃焼圧力Ｐが大気圧時の光フアイ
バ端面とシリコンダイアフラム間のギャップｔの変化は
極めて小さな量である。、従って、燃焼圧力が大気圧時
の出力、即ち基準点の温度影響の少ない燃焼圧検出装置
が得られ、燃焼圧力Ｐの高精度な計測が可能になる。

また、検知部５はガラス質の類似の熱膨張係数を有する
部材で構成される故、燃焼による高温、高圧力下の環境
でも破損することはなく、長期間燃焼圧の高信頼度な計
測も可能になる。検知部５は点火プラグ部に実装され、
数千ボルトのイグニッション電圧が印加される近傍で使
用される。しかし、光の反射光量を利用した検出方式で
あり、高電圧の影響を受けにくい。なお、燃焼圧力が大
気圧時のギャップｔは数〜数十μｍの範囲に設計される
。

以下に、学習校正の方式を具体的に説明する。

燃焼圧力Ｐと受光感度の関係を第５図に示す。なお、圧
力Ｐは絶対圧力の単位で表示している。シリコンダイア
フラムと光フアイバ端面間のギャップｔを第３図中のａ
領域に設定した場合の関係を示している。燃焼圧力Ｐの
増加に対して、ギャップｔはＩＪ　ニアに減少する。そ
れ故、受光素子９の受光感度は図のように、燃焼圧力Ｐ
の増加につれて減少する。発光素子８の発光強度、発光
素子８や受光素子９とバンドル光フアイバ６間の光結合
部（光コネクタ部；図示はしていない）における光の伝
達率、バンドル光フアイバ６中での光の伝達率、ダイア
フラム面における光の反射率が温度変化、汚れ、振動な
どの外的要因によって変化する故、燃焼圧力に対する受
光感度の関係は特性Ｘ。

Ｙ、　Ｚのように変化する。

特性ｘ、ｙ、ｚにおける受光感度は全て、燃焼圧力Ｐに
対してリニアに変化している。幸いなことに、信号処理
回路１０で発光素子８の発光強度を強性的に変化させ１
％定圧力ＰＫＫおける受光感度（図中へ○印で示した値
）を等しくさせると、特性ｘ、　　ｙ、　ｚは燃焼圧力
Ｐの全測定範囲で完全に一致することが実験的に確認さ
れた。なお、圧力Ｐｇは特定エンジン状態例えば後述す
るように、シリンダー内のピストンが下死点の位置にあ
るときの燃焼圧力を示している。

特性ｘ、　ｙ、　　ｚの一致は燃焼圧力Ｐに対する受光
感度の零点変化は本質的になく、スパン変化のみである
ためである。この理由は前記した如く。

温度変化などの外乱に対して、燃焼圧力Ｐとギャップｔ
の相対的な関係が変化しにくいためである。

検出部５は類似の熱膨張係数を有する部材で構成されて
いること、接着剤不要の陽極接合法を適用していること
により温度変化などの外乱に対して、ギャップｔの変化
は無視できるほど小さいためである。

燃焼圧力の波形を第６図に示す。エンジンの燃焼状態に
よってはノッキングが発生し、高周波の圧力波形が出現
する。図において、○印はエンジ　、ン内のピストンが
下死点の状態を示している。周期的に変動する燃焼圧力
のピーク値Ｐｔは空燃比。

点火時期など種々の要因だ応じて変化する。しかし、下
死点における燃焼圧力Ｐｇは燃焼状態にあまシ左右され
ず、はぼ等しい値（厳密には等しくないがほぼ大気圧と
みなして良い）になる。この性質を利用して、燃焼圧セ
ンサの学習校正を行うことができる。

その方法を前述の第１図を用いて説明する。下死点の状
態を検出する下死点センサ１１の信号（クランク角セン
サから下死点位置を推定する方法でも良い）に基づいて
、下死点時に受光素子９の受光感度が一定になるように
、信号処理回路１０で発光素子８の発光強度を制御（具
体的には、発光素子への供給電圧を制御するなど）する
。この結果、第５図で説明した如く、燃焼圧センサの出
力信号は自動的に、周期的に学習校正される。

燃焼圧センサの出力特性を第７図に示す。この出力特性
は受光素子９における受光感度の変化を信号処理回路１
０で信号処理したものである。図中のｙ特性が検出誤差
のない正規の出力特性である。

本発明による学習校正を用いないとき、その出力特性は
受光感度の増加に対してはＸ％性、受光感度の減少に対
しては２特性を示す。もちろん、周期的な学習校正法を
適用したとき、燃焼圧力Ｐの変化以外の外的な要因に対
応して受光感度が大幅に増加あるいは減少しても、その
出力特性は常にｙ特性として示される正規特性となる。

第１図の信号処理回路１０の詳細を第８図に示す。下死
点時にパルスを発生する下死点センサ１１の信号に基づ
き、スイッチ２０を閉じ、受光素子９の受光感度をコン
デンサ２１にホールドする。スイッチ２０．コンデンサ
２１及びバッファアンプ２２よシなるサンプル・ホール
ド回路３０の出力信号が設定電圧ｖ８と等しくなるよう
に、コンパレータ２３を介して、発光素子８のアノード
電圧を制御する。この結果、温度変化やその他の外乱て
関係なく、下死点時の受光感度は一定になる。また、受
光素子９の受光感度は信号変換回路２４によって、燃焼
圧力Ｐに対応した出力電圧ＥｏＫ変換され、マイクロコ
ンピュータ１２へ伝送される。なお、スイッチ２０の開
閉を行う下死点センサ１１のパルス信号のパルス幅は約
数百μｓ以下とする。

次に、他の学習校正方法について説明する。この方法は
燃焼圧センサの出力信号をマイコンに取込み、マイコン
中で演算補正する方法である。マイコンによる学習校正
方式を第９図に示す。燃焼圧センサの受光素子９部にお
ける受光感度（第５図に示した感度）を信号処理回路１
０でそのまま電圧値に変換し、その値をマイコン１２に
伝送する。この結果、第５図の受光感度に対応した電圧
値はＡＤ変換器１３でディジタル値に変換され、入力ボ
ート１４を介してＭＰＵ１５に入力される。

この場合信号処理回路１０は第８図におけるサンプルホ
ールド回路３０とコンパレータ２３がない状態であり１
発光素子８のアノード電圧として電圧ｖＳが加えられる
。受光素子９の出力は電圧のレベルシフトおよび増幅を
行なう信号変換回路２４を介してマイクロコンピュータ
１２へ入力される。第１Ｏ図と第１１図に処理フローを
示す。

下死点毎に下死点センサ１１よりマイクロコンピュータ
１５に割込みを掛け、第１０図のフロー図゛を実行する
。ステップ１０２で圧力ＰＤを取り込む。この圧力はシ
リンダの下死点の圧力である。

ステップ１０４で予定範囲内の測定値かどうかを判断す
る。これによりノイズの影響を除去する。

ステップ１０６で基準値ＰＲ，を上記測定値ＰＤで除算
し、その値をαとする。このαが修正値でありＲＡＭ１
７にステップ１０８で記憶する。

通常の測定は第１１図のフロー図で実行される。

このフロー図は一定クランク角または一定時間または一
定燃焼室容積変化毎に実行される。信号処理回路１０の
出力を圧力Ｐとしてステップ１１２で検出し、この値Ｐ
に上記ＲＡＭＩ　７に保持された修正係数αを乗算して
真の圧力ＰＴを演算する。

尚下死点の決定はクランク角センサの出力からも行なう
ことが可能である。

本実施例によれば、圧力検知部はほぼ類似の熱膨張係数
の部材で構成される故、ダイアフラムと光フアイバ間の
ギャップの温度依存性が小さく。

温度影響の少ない燃焼圧センサが得られる。燃焼温度に
起因する圧力検知部の熱歪は小さいので、熱応力によっ
て破損することはなく、高信頼度の燃焼圧センサが得ら
れる。また、光を応用した計測法である故、点火プラグ
の高電圧環境下でも検出の精度は低下しない。

また、下死点時の燃焼圧力を用いて、燃焼圧センサの出
力信号を周期的に学習校正することによシ、燃焼の圧力
を高精度に検出することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば広範囲の温度変化等における悪環境にお
いても正確な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図。 第２図は光フアイバ応用燃焼圧センサの検出部の概略構
成、第３図はガラスパイプに固着された光ファイバの状
態図、第４図は反射光量とギャップの関係図、第５図は
燃焼圧力と受光感度の関係図、第６図は燃焼圧力の波形
とその校正方式の説明図、第７図は燃焼圧センサの出力
特性図、第８図は信号処理回路の詳細図、第９図は他の
実施例のブロック図、第１０図は修正係数を演算するた
めのフロー図、第１１図は測定値より真の圧力を演算す
るための７０−図である。 ３・・・ダイアフラム、２・・・光ファイバ、８・・・
発光素子、６・・・バンドル光ファイバ、１２・・・マ
イコン、１・・・ホウケイ酸ガラス製のパイプ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　エンジンの燃焼圧を受けて変形するダイヤフラム
   と、ダイヤフラムの変形に基づく光の反射面の反射状態
   の変化を検知するため上記反射面に光を導き、該反射面
   よりの反射光を光検出手段に導く光ファイバと、上記光
   検出手段の出力により上記燃焼圧を検出するものにおい
   て、エンジンの特定の状態での光検出手段の出力から燃
   焼圧検出の校正値を決定する手段と、上記光検出手段の
   出力を上記校正手段の校正値により校正する手段とを設
   けたことを特徴とするエンジンの燃焼圧検出装置。
2. ２．　エンジンの燃焼圧を受けて変形するダイヤフラム
   と、光発光手段と、光検出手段と、ダイヤフラムにより
   変形する反射面の光反射状態の変化を検知するため、上
   記反射面に光発光手段の光を導き、上記反射面よりの反
   射光を光検出手段へ導く光ファイバと、上記光検出手段
   の出力より上記燃焼圧を検出するものにおいて、エンジ
   ンの特定の状態での光検出手段の出力より校正信号発生
   する校正信号発生手段と、上記校正信号発生手段の出力
   により上記光発光手段の出力を制御する手段を設けたこ
   とを特徴とするエンジンの燃焼圧検出装置。