KR960016168B1 - 공연비를 검출하는 센서 - Google Patents

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KR960016168B1
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요시시게 오오야마
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가부시기가이샤 히다찌 세이가꾸쇼
미다 가쓰시게
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Abstract

내용 없음

Description

공연비를 검출하는 센서
제1도는 본 발명의 실시예를 사용한 시스템도,
제2도는 연소광검출단의 일실시예를 나타낸 도,
제3도는 연소광의 분광 분석결과를 나타낸 도,
제4도는 공연비 A/F에 대한 특정파장의 피이크시기 특성도,
제5도는 그 파이크치의 특성예를 나타낸 도,
제6도는 특정된 2파장의 광의 발생시기 위상각도(△θ)와 공연비 A/F의 관계도,
제7도는 본 발명에 의한 특정 2파장분파, 신호처리의 구성도,
제8도, 제9도 및 제10도는 그 신호처리 수순의 설명도,
제11도, 제12도는 광전 변환소자의 분광감도 특성도,
제13도는 간섭필터의 특성도,
제14도는 제7도의 변형도,
제15도는 제어장치의 주요부 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연소광 검출단,2 : 엔진,
3 : 연소실,4 : 광파이버 케이블,
5 : 광신호 처리회로,6 : 점화장치,
7 : 제어장치,8 : 산소센서(공연비센서),
9 : 드로틀밸브 개방도센서(스위치),10 : 에어플로우센서,
11 : 수온센서,12 : 회전센서,
13 : 분사기(injector),14 : 석영유리화이버,
15 : 절연애자,16 : 시일부,
17 : 콘넥터,18 : 광파이버,
19 : 고압케이블,20 : 보호커버,
21 : 프러그 중심전극,22 : 고압터미널
본 발명은 내연기관의 연소화염광의 검출장치에 관한 것으로, 특히 연소광의 분광특성으로부터 연소가스의 공연비를 검출하는 센서에 관한 것이다.
내연기관의 연소화염광을 외부로 도출하여 연소정보로서 이용하는 시도는 각 방향에서 검토되고, 디젤엔진의 착화시기를 광학적으로 검출하는 것 등은 이미 실용화 되어가고 있다. 한편, 일본국 특개소 58-82039호 공보에서는 엔진의 연소광의 발광강도를 검출하고, 그 강도비로부터 공연비를 구하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 연소광 검출면의 오염에 따른 투과율 변화에 관해서는 충분한 배려가 되어 있지 않아 고정밀도로 공연비 검출을 만족시키지는 못하고 있었다.
특히 종래의 공지예에서는 특정파장의 연소 화염광의 발광강도비로부터 공연비를 구하는 방법으로서 검출면의 부착물에 의하여 각 파장분의 투과율이 변화하고 주위 온도에 의한 열방사분에 의하여 강도비가 변화하는 등 충분한 공연비 검출정밀도를 얻을 수 없다는 결점이 있었다.
본 발명의 목적은 엔진 연소실내의 연소화염광을 광전변환처리하여 각 연소사이클 별로 공연비를 검출 또는 이것을 수사이클분을 평균하여 처리하여 각 기통(실린더)별의 평균 공연비를 검출하는 수단을 제시하는데 있다.
본 발명이 특징은 연소화염광중 특정의 두개의 파장 대역의 광신호의 크랭크 각도에 대한 발생시기의 위상차를 검출하고 미리구해둔 상기 위상차와 공연비의 관계를 기억하는 기억장치 혹은 이 관계식을 연산하는 연산처리장치에 의하여 공연비를 구하므로서 달성할 수가 있다.
즉, 특정파장의 광의 발광강도는 상기한 각종 요인에 의하여 그 레벨은 변화하나 그 발생시기는 영향을 받지 않는다는 것을 이용하고 있다.
이하 본 발명의 실시예를 도면에 따라 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 의한 공연비를 검출하는 센서를 사용한 시스템 구성도이다.
연소센서는 엔진(2)의 연소실(3)에 개구하는 형태로 설치된 연소광검출단(1), 연소광검출단(1)에 의하여 도출한 연소광을 전달하는 광파이버케이블(4), 그 후단에 배치된 광신호 처리회로(5)에 의하여 구성되어 있다.
연소광검출단(1)은 제2도에 나타낸 바와 같은 점화 플러그와 일체화되어 있다. 이 경우 연소광검출단(1)에는 점화장치(6)를 거쳐 마이크로컴퓨터 내장의 제어장치(7)로부터 점화펄스가 인가되어 점화플러그로서의 기능을 갖게 하고 있다.
광신호 처리회로(5)에서 광전변환, 신호처리된 연소광신호는 제어장치(7)에 인도된다. 제어장치(7)에는 그 외에 산소센서(공연비센서)(8)에서 검출한 공연비신호, 드로틀밸브 개방도센서(9) 혹은 드로틀밸브스위치(9)로부터의 드로틀밸브 개방도신호, 에어플로우센서(10)에서 검출한 공기유량신호, 수온센서(11)에서 검출한 엔진 냉각수온신호, 회전센서(크랭크각센서, 상사점센서 등)(12)에서 검출한 회전수신호, 크랭크각도 신호 등이 입력된다. 제어장치(7)에서는 이들 복수의 신호의 연산처리에 의하여 최적연료량, 최적점화시기 등을 결정하여 제어신호를 출력한다. 연료량은 분사기(13)에 제어신호를 가하므로서 최적량이 엔진에 분사공급된다.
제1도의 경우 멀티포인트 연료분사 시스템을 예로 들고 있으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고 기화기, 싱글포인트(single point) 연료분사 시스템 등 어느것이더라도 좋다. 또 에어플로우센서(10)를 사용한 공기유량 직점계량 방식은 예로 들고 있으나, 엔진 회전수와 흡입부압으로부터 흡입공기 유량을 산출하는 스피드덴셔티(speed density)방식, 엔진회전수와 드로틀밸브 개방도로부터 흡입공기 유량을 산출하는 방식 등 그 공기계량방식은 어느 것이거나 좋다.
제2도는 점화플러그 일체형의 연소광검출단의 요부단면도이다. 점화플러그의 중심전극(21), 고압터미널(22)의 중심축상을 관통하는 형태의 광도체로서 직경 1.0~1.5mm 정도의 석영유리파이버(14)가 배설되어 있다. 이들 (3자)과 전기적 절연애자(15)와의 고착은 시일부(16)에서 도전성 유리시일재의 가열용융 봉착(封着)에 의하여 행해지고 있다.
석영유리파이버(14)에 의하여 도입된 연소화염광은 콘넥터(17)에서 굴절성이 풍부한 광파이버케이블(18)과 연접되어 광신호 처리회로(5)에 도입된다.
또 이 콘넥터(17)는 점화플러그의 고전압의 도입부재로서의 기능도 겸하고 있어 고압케이블(19)로부터의 고전압이 콘넥터(17), 고압터미널(22)을 거쳐 중심전극(21)에 유도되도록 되어 있다. 20은 애자(15)의 표면을 고전압이 연면(沿面) 방전하지 않도록 절연하는 보호커버이다.
제3도(a)의 신호파형은 제3도(b)에 나타낸 바와 같이 설치된 연소광검출단(1)에서 도출한 연소광을 광파이버케이블(4)을 거쳐 회전격자형 분광기(23)에 인도하고 단일파장 성분별의 광강도를 포트멀티플렉서(24)에서 광전변환하여 얻은 결과이다.
단, 엔진의 경우 간헐연소이고 각 사이클마다의 연소상태는 다소 변동하고 있으므로 제3도(a)의 파형은 연소사이클을 16분을 샘플링하여 그 평균파형을 나타낸 것이다.
제3도(a)에서는 단일파장성분으로서 가시광 대역중 자외선 대역 가까이의 파장 λ1=450nm의 것과 자외선 대역 가까이의 파장 λ2=750nm의 것을 추출하여 측정하고 있다. 피스톤이 상사점(TDC)에 도달하기 전에 점화 플러그에 점화펄스신호가 가해지고 스파아크 방전이 행해져 화염핵(核)이 형성된다.
이 화염핵은 다소 시간을 거쳐 성장하여 연소실내의 혼합기의 연소개시를 유발하게 된다. 연소가 개시되면 연소실내의 연소압은 급격하게 증대하여 피스톤에 왕복 운동의 에너지를 가하게 된다. 또 연소가 개시되면 연소광의 신호도 상승하고 연소압과 거의 같은 시기에 피이크치를 나타내고 그후 하강선을 따라가는 신호파형을 나타낸다. 그러나 여기서 연소압 신호파형의 피이크시기(PP)에 대하여 연소광 신호파형(도면에 나타낸 λ1, λ2에 상당)의 피이크시기(A, B)는 연소실에 공급되는 혼합기의 공연비에 의하여 변화하는 것을 실험에 의하여 발견하였다. 여기서, 이 연소압 피이크시기(PP)에 대하여 파장 λ1=450nm의 광의 피이크시기(A)의 위상차를 △t1, 파장 λ2=750nm의 광의 피이크시기(B)의 위상차를 △t2로 하여 공연비와의 상관성을 측정한 결과를 제4도에 나타낸다.
△t1은 공연비(A/F)가 커지면 부(負), 즉 연소압의 피이크시기(PP)보다 λ1이 광은 피이크가 빨라진다.
한편, △t2는 A/F가 커짐에 따라 커지고, PP보다 λ2의 광의 피이크는 늦어진다.
즉 A/F가 커질수록 먼저 λ1=450nm, 즉 청색을 띤 화염이 발생하고 그 다음 λ2=750nm, 즉 적색을 띤 화염이 발생하게 되어 있다고 생각된다. 이 경향과 양자의 피이크치(제3도의 F1, F2)에는 상관성은 없다.
제5도는 A/F에 대한 F1, F2의 값이고, 이론 공연비 근방이 양자가 모두 크고, 그 이상으로 A/F를 크게 하거나 작게 해도 그 값은 저하한다.
이상의 결과로부터 임의의 특정파장의 광의 피이크 시기가 공연비에 의존하고 있다는 것이 명백해졌으나 제4도와 같이 연소압의 피이크시기를 기준으로한 방법에서는 실용성이 낮다.
그러나 ,
△t=△t1-△t2, △θ=f(△t, N) ;
의 관계가 있다.
제6도는 이에 의거하여 △t1과 △t2의 시간위상 차를 크랭크각도 위상차(△θ)로 변환하여 A/F와의 대응을 정리한 결과이다. 비선형 이기는 하나, 공연비(A/F)에 대응한 특성이 얻어졌다. 따라서 연소센서에서는 이 △θ를 산출하고, 마이크로 컴퓨터로 이루어지는 제어장치에서 이 △θ를 사용하여 A/F를 산출하면 되게 된다. 또한 본 실험에서는 λ1=450nm, λ2=750nm의 경우 이외에 다수의 파장대에 대하여 행하고 있고 절대치는 다르나 그 경향은 일치하고 있음을 확인하였으며 기본적으로는 특정의 두파장의 광은 그 파장대의 제한은 없다.
제7도는 본 발명에 의한 연소화염광의 특정의 두파장으로의 분파, 신호처리 구성도이다. 제7도(a)는 광파이버케이블(25)로 전송된 연소광을 둘로 분기하고 그단부에 상기한 λ1상단의 파장대에 최고감도가 있는 광전변환소자(photo transistor, photo diode 등)(26)와 λ2상단의 파장대에 최고감도가 있는 광전변환소자(27)를 배치하고, λ1과 λ2의 파장의 광을 각각 수광한다. 그리고 광전변환회로(28, 29)에서 각각 광전변환되어 미분회로(59, 60)에서 미분되고, 피이크 검출회로(61, 62)에서 미분치로부터 피이크를 검출하여 마이크로 컴퓨터로 이루어진 제어장치(7)에 보내진다. 제7도(b)도 광전변환회로(28, 29)까지는 제7도(a)와 동일하고 그후 단은 피이크의 상승시기의 관계가 동일한 경향이 있으므로 상승시기 검출회로(30, 31)에서 신호상승시기가 펄스화되고 위상차 펄스 발생회로(38)에서 양자의 위상차가 펄스화되어 마이크로 컴퓨터로 이루어진 제어장치(7)에 인가되는 구성으로 되어 있다. 제7도(c)도 광전 변환회로(28, 29)까지는 제7도(a)의 경우와 동일하고 그후 단은 피이크 홀드회로(32, 33), 리세트회로(34, 35)를 거쳐 각각의 파장의 광신호 별로 피이크홀드 파형을 형성하고 피이크시기 검출회로(36, 37)에서 각각의 신호 피이크시기를 검출하고 위상차 펄스 발생회로(38)에서 양자의 위상차가 펄스화되어 제어장치(7)에 그 신호를 입력시키고 있다.
제8도는 제7도(a)에 나타낸 실시에의 신호처리 순수의 설명도이다. 광전 변환회로(28)로부터 얻어진 파장 λ1의 광신호(a), 광전 변환회로(29)로부터 얻어진 파장 λ2의 광신호(b)는 미분회로(59, 60)에서 미분되고 다음에 접속된 피이크 검출회로(61, 62)에서 피이크신호(c),(d)를 발생한다. 그리고 이 (c),(d)의 피이크신호는 위상차 펄스 발생회로(38)에서 양자의 펄스사이만 "H" 레벨(Hogh-level)이 되는 펄스신호(e)를 출력하고 이 펄스 신호는 제어장치(7)에 보내져 (f)와 같이 펄스기간만 크랭크각도가 계수되어 양자의 위상각도가 산출된다.
제9도는 제7도(b)에 나타낸 것의 신호처리 수순의 설명도이다. 광전 변환회로(28)로부터 얻어진 파장 λ1의 광신호(a), 광전 변환회로(29)로부터 얻어진 파장 λ2의 광신호(b)는 상승시기 검출회로(30, 31)에 입력되어 각각의 설정전압(VR1, VR2)과 비교한다.
그리고 각각 VR1, VR2의 설정전압보다 광신호의 전압치가 커졌을때에 "H" 레벨이 되는 펄스신호(c), (d)와 같이 정형한다. 그리고 이 (c),(d)의 펄스신호는 위상파 펄스 발생회로(38)에서 양자의 펄스 상승시기차의 기간만 "H" 레벨이 되는 펄스신호(e)를 정형한다.
이 위상차 펄스신호(e)를 제어장치에 보내어 (f)와 같이 그 펄스의 "H"레벨의 기간의 각도가 계수되고 양자의 위상각도가 산출된다.
제10도는 제7도(c)의 나타낸 것의 신호처리 수순의 설명도이다. 각각의 광전 변환회로(28, 29)로부터 얻어진 λ1의 광신호(a), λ2의 광신호(b)는 피이크 홀드회로(32, 33), 리세트회로(34, 35)에 의하여 각각 (c),(d)와 같이 된다. (a)와 (c)의 신호는 피이크 시기 검출회로(36)에 (b)와 (d)의 신호는 피이크 시기 검출회로(37)에 보내지고 각각 양자의 감산처리((c)-(a), (d)-(b))를 행하고 반전시켜 각각 (e),(e)와 같이 파형을 정형한다.
여기서 각각 설정전압(VR3, VR4)과 비교되어 (e),(f)의 신호가 VR3, VR4보다 각각 클때에 "H"가 되는 펄스신호를 (g),(h),와 같이 정형하고 이것을 위상차 펄스발생회로(38)에 인가한다. 위상차 펄스 발생회로(38)에서는 이 양자의 펄스 상승시기차의 기간동안만 "H"레벨이 되는 펄스신호(i)로 정형하여 제어장치(7)에 이 펄스신호(i)를 보낸다.
제어장치(7)에서는 그 펄스신호(i)의 "H"레벨기간의 크랭크 각도 펄스를 (j)와 같이 계수하고 λ1, λ2의 광의 피이크 시기의 위상각도가 산출된다.
제11도는 제7도에 나타낸 분파(分波), 신호처리 구성도에 있어서 사용되는 광전 변환소자(26, 27)의 분광감도 특성예를 나타낸다. 광전변환소자(26)는 제11도에 실선으로 나타낸 바와 같이 파장 λ1에 피이크 감도가 있는 것을 또 광전변환소자(27)는 제11도에 파선으로 나타낸 바와 같이 파장 λ2에 피이크 감도가 있는 것을 사용하면 된다. 그러나 이와 같이 특정파장대에 예민한 분광감도 특성을 나타내는 광전 변환소자는 현재로서는 고가의 것이 많다.
따라서 저렴화를 도모하기 위해서는 다음과 같은 구성으로 하면 좋다.
제12도는 현재 싼값으로 시판되고 있는 포토트랜지스터의 감도특성도이고, 400nm~1100nm의 넓은 범위의 파장대의 광을 검출할 수 있다. 이 종류의 것은 다수 시판되고 있고 제12도의 것보다 더 광범위의 분광감도를 가지는 것도 있다. 따라서 이와 같은 특성을 가지는 광전 변환소자를 두개를 사용하고 이 광전 변환소자에의 광입력단에 제12도에 나타낸 바와 같은 특성을 갖는 간섭필터를 배치하므로서 비교적 용이하게 파장 λ1, λ2의 광신호를 얻을 수가 있다.
간섭 필터의 투과율 특성은 제13도와 같이 특정의 파장대에서만 예민한 투과율이 되는 것을 비교적 용이하게 얻어진다. 제13도의 C의 특성을 갖는 간섭필터를 광전 변환소자의 전단에 배치하므로서 λ1의 파장대의 광을 제13도의 D의 특성을 갖는 간섭 필터를 광전 변환소자의 전단에 배치하므로서 λ2의 파장대의 광을 검출할 수가 있다.
제14도는 그 구체적 구성예이다. 이 제12도에 나타낸 바와 같은 넓은 파장대에 분광감도를 갖는 광전변환소자(39)를 두개 배치하고 그 전단에 각각 제13도 C의 특성을 갖는 간섭필터(40), D의 특성을 가진 간섭필터(41)를 배치하고 있다. 이것에 의하여 제7도의 것과 거의 동일하게 2파장대의 연소광만을 수광하고 광전변환하여 이용할 수 있다.
제15도는 제어장치(7)의 주요부의 구성도이다. 에어플로우센서(10), 수온센서(11), 공연비센서(8), 드로틀밸브 개방도센서(9) 등의 센서 신호는 멀티플렉서(43)를 거쳐 A/D 변환기(44)에서 A/D 변환되어 입출력포오트(45)에 접속되어 있다. 드로틀밸브 전개(全開) 스위치 아이들 개방도 검지센서(9)의 신호는 입력포오트(46)에 접속되어 있다. 크랭크각 센서(12)의 회전정보 신호는 파형정형회로(47)를 거쳐 입력포오트(48)에 접속되어 있다.
연소센서(42)의 신호는 신호 처리회로(5)를 거쳐 카운터회로(49)에 입력되어 제8도, 제9도 및 제10도에 나타낸 바와 같이 두파장의 위상차 펄스의 사이의 크랭크 각도 펄스를 계수하고 그 신호를 A/D 변환기(50)에 입력하고 디지틀 신호로 변환하여 입출력 포오트(51)에 인가한다. 이상의 각각의 입출력 포오트는 데이터버스(52)에 의하여 CPU(53), ROM(54), RAM(55)과 접속되어 있고 신호의 수수(受授) 연산처리가 실행된다. 그 결과는 출력포오트(56, 57)에 출력되고 출력포오트(56)로부터의 신호에 의하여 점화장치(6)가 작동하고 또 출력포오트(57)로부터의 신호에 의하여 구동회로(58)가 동작하고 이에 의하여 분사기(13)가 구동된다.
ROM(54)에는 제6도에 나타낸 바와 같은 위상차 각도신호(△θ)와 공연비(A/F)의 관계식 혹은 △θ와 A/F의 1차원 맵(map)이 기억되어 있고 입출력포오트(51)로부터 얻어진 위상각도신호(△θ)에 대응한 A/F를 CPU(53)에서 연산하여 구해지도록 되어 있다. 다기통 엔진에서 연소센서가 각 기통에 설치된 시스템의 경우 각각의 위상차 펄스 신호를 제15도에서는 도시하지 않은 멀티 플렉서를 거쳐 카운터(49)에 접속하므로서 각 기통별로 A/F를 검출할 수 있다. 또 각 기통 각각을 단독으로 보았을 경우 각 사이클 마다에 공급되어오는 혼합기의 공연비는 변동하고 있으므로 당연히 각 사이클 마다에 카운터(49)에서 계수되는 위상차 각도 신호(△θ)가 변동한 값이 된다. 따라서 이 변동한 △θ에서 A/F를 산출하고 그때마다 페루우프제어를 행하면 제어의 안정성을 얻을 수 없게 된다. 따라서 이 경우 수 사이클분의 △θ의 평균치를 산출하고 이것으로부터 A/F를 구하도록 하면 된다. 이 평균화하기 위한 샘플링 회수는 개개의 엔진에 맞추어 적절히 최적회수를 선정하여 행하도록 한다.
이상의 본 발명에 의하여 연소광 검출면에 부착되는 부착물에 의한 각 파장의 투과율변화, 연소광검출면 주면(周面)으로부터의 열방사분에 의한 변화 등 종래의 연소광의 특정 파장의 광강도로부터 공연비를 구하는 방법에서는 오차를 유발하는 요인이 여러가지 있어 고정밀도의 공연비 검출을 할 수 없었던 것이 이것들에 영향을 받지 않는 특정파장의 광의 발생시기의 위상차로부터 공연비를 구할 수가 있어 실용적인 연소센서를 제공할 수가 있다.

Claims (7)

  1. 엔진의 연소실에서 발생하는 연소광을 도출하는 투명한 연소광 도출수단과, 상기 연소광 도출수단으로부터 도출된 연소광의 임의의 두개의 파장의 연소광을 전기적인 파장신호로 광전변환하는 광전 변환수단과, 상기 광전변환수단으로부터의 두개의 파장신호의 위상차에 의거하여 공연비를 구하는 공연비 결정수단으로 이루어진 공연비를 검출하는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광전변환수단은 파이버 케이블을 분기시켜 그 단부에 설치한 다른 파장에 감응하는 광전변환소자로 이루어진 공연비를 검출하는 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전변환수단은 파이버케이블을 분기시키고 그 단부에 설치된 다른 파장을 투과시키는 간섭필터와 광전소자로 이루어진 공연비를 검출하는 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공연비 결정수단은 광전변환 수단으로부터의 두개의 파장신호는 파이크를 검출하는 피이크검출수단과 상기 피이크 검출수단에 의하여 검출된 피이크의 각도차를 구하는 각도차 검출수단과 각도차에 의거하여 대응공연비를 구하는 대응 공연비 결정수단으로 이루어진 피이크 검출센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공연비 결정수단은 광전변환수단으로부터의 두개의 파장신호의 상승시기는 검출하는 상승 시기 검출수단과, 상기 상승시기 검출수단에 의하여 검출된 두개의 파장신호의 상승의 각도차를 구하는 각도차 검출수단과 각도차에 의거하여 대응 공연비를 구하는 대응 공연비 결정수단으로 이루어진 공연비를 검출하는 센서.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 대응 공연비 결정수단은 각도차와 공연비를 정한 함수메모리이고, 각도차로부터 공연비가 구해지는 공연비 검출하는 센서.
  7. 제1항에 있어서, 광전 변환수단에서 변환되는 두개의 파장신호는 적외선 대역 부근과 자외선 대역부근의 가시광인 것을 특징으로 하는 공연비를 검출하는 센서.
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