JPH07505694A - 内燃機関の機関パラメータを検出する装置 - 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】 内燃機関の機関パラメータを検出する装置技術分野 本発明は、内燃機関、特に気体燃料で運転される火花点火機関、の機関パラメー タを検出する装置であって、内燃機関の燃焼室内で燃焼時に引き起こされる発光 を観測する少なくとも１つの光センサと、発光を、評価装置内で処理される電気 信号に変換する少なくとも１つの光検出器とを備えたものに関するものである。

背景技術 燃焼室内で燃焼時に引き起こされる発光を利用して機関パラメータを制御するこ とは、既に提案されている。機関に固着された光センサと、一般に、燃焼室内に 通された光伝導素子（最も簡単には、いわゆる燃焼室窓）とを介して、その他の 燃焼経過を乱すことなく、機関から光が引き出される。光センサはスパークプラ グ内に一体化しておくこともできる。

従来は、主に発光の位置から、時間的経過で、点火時期を制御する制御信号が獲 得された。

ドイツ公開特許公報箱３５０５０６３号により公知の機関制御装置では、光の強 度の極大と複数の極大値から形成された平均値との間の差が制御量となる。この 差形成のとき、極大値の絶対値に関する情報が失われる。公知の制御装置は、結 局、機関の非定常回転を制御するのに役立つ。いかなる機関パラメータのときに 、特にいかなる虚空比（λ）のときに、希望する定常回転が生じるのかは、そこ では重要でない。つまり、特定の虚空比への制御は行われない。

発明の開示 本発明の課題は、少なくとも１つの機関パラメータの的確な制御を可能とする、 冒頭指摘した種類の装置を提供することである。

本発明によれば、これは、冒頭指摘した種類の装置におい−Ｃ１評価装置が、各 燃焼サイクルの発光の強度極大を適宜な電気信号に基づいてめる装置を含み、評 価装置が、更に、強度極大に依存して少なくとも１つの機関パラメータを制御す る制御装置を含むことによって達成される。

公知の提案では発光の位置が時間的経過で評価されたが、本発明によれば、１つ の機関パラメータを検出し又好ましくは制御装置を介して機関パラメータを制御 するために、発光の強度極大の高さを利用するように提案される。かかる機関パ ラメータは、特に、燃空比（λ）である。しかし、別の、例えば点火時期、給気 圧力、機関温度等の機関パラメータも、基本的には、各燃焼サイクルの発光の強 度の強度極大又は積分値に依存して制御することができる。光検出器の電気信号 に反映する発光の極大は、容易に電子評価装置によってめて、制御装置の実際値 入力端に送ることができ、次に制御装置がそれに依存して少なくとも１つの機関 パラメータを調整又は制御する。

相連続した個々の燃焼サイクル内の発光の変動を平滑にするために、好ましくは 、強度極大をめる装置の後段に平均値形成器が設けられており、この形成器が、 設定可能な数の燃焼サイクルの強度極大から、平均値に一致した信号を出力し、 又、平均値形成器の出力端が制御装置の実際値入力端と接続されている。強度極 大は、例えば、２０〜１００サイクルにわたって平均をとることができる。

別の好ましい実施態様は、評価装置が失火検出装置を有し、この検出装置が、一 方で、発光に関連した信号を、他方で、センサがら、クランク軸角度又は機関の ピストン位置に依存した信号を受信し、且つ、閾値より下の電気信号の場合に、 クランク軸角度又はピストン位置に依存した時点に、又はそのなかで通常点火が 行われる時間窓内に、出力端から出力信号を供給することを特徴としている。失 火検出装置から出力される信号は、例えば計数し、特定数又は特定頻度の失火の ときに例えば機関の非常停止を引き起こすことができる。

更に、失火検出装置の信号を平均値形成器に送ることも可能である。次に平均値 形成器は、間違った平均値を避けるために、平均値形成のときに、失火を有する 燃焼サイクルを単純に無視することができる。

特に、ガス機関での検査において、引火時に発生するラジカルが特定周波数範囲 、特に紫外線範囲（約２００　ｎｍ−３５０ｎｍ）　、の光を放出することが判 明した。好ましくは光検出器の前に設けられた光帯域フィルタによって、特定の スペクトル範囲、いわゆるスペクトル窓、を適切に評価し、このスペクトル窓内 に現れる最大発光を利用して機関パラメータを制御することができる。ガス機関 の場合、紫外線範囲の放射線の強度は燃焼ガス／空気比に強く依存しており、λ 値が小さくなると一層高い強度が現れることが判明した。このことが、紫外線放 出の光強度に基づいてλ制御を達成するために利用することができる。同時に、 別の機関パラメータ、例えば点火時期を、各燃焼サイクルの発光に基づいて制御 することも、当然可能である。

設計上の観点から、光センサの内部又は表面に帯域フィルタ、好ましくは色ガラ スフィルタが配置されているのが特に好ましく、この場合、例えば特殊に添加さ れたガラス種を使用して、燃焼室から外部に光を導く材料がそれ自身帯域フィル タ特性を有し、且つこうして、それが望ましい場合、燃焼室ごとに１つの帯域フ ィルタを形成することが可能となる。

本発明の別の有利なｌ構成では、多シリンダ内燃機関の場合に、機関パラメータ をシリンダ選択的に制御するために各シリンダの燃焼室に光センサが配置されて おり、このセンサにそれぞれ１つの独自の光検出器及び独自の評価装置が付属し ており、この評価装置が、各シリンダの発光に一致した電気信号及び設定可能な 目標値に依存して各シリンダの機関パラメータを制御する制御装置を備えている 。

機関パラメータ、例えば各シリンダの燃空比をシリンダ選択的に制御すると、機 関の一層正確な制御及び動作様式が可能となる。基本的に、少な（とも１つの燃 焼室の発光に依存して、複数の燃焼室のために単数又は複数の機関パラメータを 同時に制御することも当然に考えられ、可能でもある。

本発明のその他の利点及び詳細は、以下の図面説明のなかで詳しく述べられる。

図面の簡単な説明 第１図は、シリンダのシリンダヘッド範囲と嵌め込まれた光センサとの略示横断 面図である。

第２図は、本発明の１実施例についての評価装置のブロック図である。

第３図は、個々の燃焼室からの発光に依存してシリンダ選択的に燃焼ガス／空気 混合気を制御する多シリンダ内燃機関の略示図である。

第４図は、自己校正装置のブロック図である。

発明の好適な実施態様 全体に符号ｌとされた光センサ（プローブ）は、内燃機関のシリンダのシリンダ ヘッド７に嵌め込まれて、袋ナツト３によって保持されている。光センサ１は光 伝導ガラス棒２を含み、この棒は燃焼室９内でピストン８の上にまで達している 。更に、光センサが光導波路差込アダプタ４を含み、このアダプタにより、ガラ ス棒２の外端に先導波路、特に軟質光ファイバ６を、光導波路プラグ５を介して 、着脱可能に接続することができる。このために、光導波路プラグ５は矢印ｌＯ の方向で光導波路差込アダプタ４内に差し込まねばならないだけである。こうし て、燃焼室９内で燃焼時に発生した光を、まずガラス棒２を介して、次に軟質光 ファイバ６を介して、評価装置に供給することが可能となる。軟質光ファイバは 、電子評価装置の離間設置を可能とし、又破損した場合に容易に交換することが できる。

第２図は、かかる評価装置１１の１実施例である。光センサｌによって燃焼室か ら検出された光は、（例えば、特に紫外線範囲を透過する）光ファイバ６を介し て電子評価装置１１に供給される。光ファイバ６は、評価装置の箇所でもこれと 着脱可能に接続しておくことができる。評価装置の入力端で、光検出器１２（例 えば、スペクトル感度範囲１８５〜１１５０ｎｍの紫外線ホトダイオード）が光 を電気信号に変換し、この信号が次に増幅器１３において増幅され、高域フィル タ又は帯域フィルタ１４において濾波される。それに続いて、発光に一致した電 気信号は、各燃焼サイクルの発光の強度極大をめる装置１５に達する。つまり、 線路１６に現れる出力信号は各燃焼サイクルの発光の強度極大を反映したもので あり、スペクトル窓のみを観測するために、例えば光センサ内自体に高域フィル タ又は帯域フィルタを一体化しておくことができる。フィルタは、特殊ガラスか らなるガラス棒２によって形成しておくことができる。しかし、別個のフィルタ 素子を利用することも可能である。測定のとき、なかんづく、引火時に発生する ラジカルが紫外線範囲（約２０Ｏｒ＋ｍ〜３５０　ｎｍ）の光を放出することが 判明した。この放射線の強度はλにきわめて強く依存する（λが小さいと強度が 高い）。こうして、紫外線放出の光強度に基づいて比較的正確なλ制御を実現す ることができる。更に、紫外線放出を利用してノッキングを検出することができ る。

波長６００　ｒ＋ｍ前後の場合にも、ノッキングは同様に挙動しく固体放射器） 、これらの波長はかなり容易に伝送し又検出することができる。しかし、これら の波長の場合ノッキングの検知が困難である。

というのも、固体はノッキングのとき残光を生じ、こうして高周波ノッキング情 報が一部失われるからである。妥協策として、約１８５〜６００　ｎｍの波長窓 を効率的に観測するのが好ましい。紫外線ホトダイオードは１８５　ｎｍ以下で は元々感応しないので、このためには、６００　ｎｍ未満の波長のみを透過する 先高域フィルタで間に合う。

基本的に、線路１６に現れる信号は直ちに制御装置１７に送ることができよう。

すると制御装置は出力増幅器１８及び機関パラメータ調整装置（例えば混合気調 整装置１９）を介して機関パラメータ（例えば燃空比）を制御する。しかし、個 々の燃焼サイクルの変動を平滑にするために、線路１６に現れる出力信号を複数 の、例えばｌＯ〜１００サイクル、例えば３０サイクルにわたって平均をとり、 つまり、設定可能な数の燃焼サイクルにわたって強度極大の平均値をめるのが、 一層好ましい。これが平均値形成器１８において行われ、その出力端１９は制御 装置１７の実際値入力端２０と接続されている。

前記実施例の代案として、極大値の代わりに、燃焼時間中の光強度の積分値も平 均値形成に利用することができる。両方の方法の信号はそれ自体同一であるが、 しかし積分値は、ピーク値（−極大値）よりも、λに関して一層平坦な勾配を有 する。しかし、その代わりに、積分値を得るには一層大きな計算支出が必要であ る。

プローブのドリフト（例えば、燃焼室プローブの汚れによる）は、例えば、ドリ フトを補正するために増幅器１４の補助入力端３６に作用する自己校正装置によ って補償することができる。この装置でもって、機関運転中に汚れをめて、各補 正信号を発生ずることができる（第４図）。

自己校正装置３７によって、角度マークで制御されて、光パルスが光導波路に送 り込まれる。この光パルスは、光導波路６及び燃焼室窓６を介して燃焼室内に伝 搬して、そこで反射される。反射されたパルスは、引き続き再び自己校正装置３ ７へと達する。反射されたパルスの強度は燃焼室窓の汚れの尺度である。この値 でもって、次に、例えば評価装置が追従制御することができる（入力端３６）。

自己校正操作は、自己校正作動装置３８によって、まさに燃焼が起きていないと きに常に開始される（例えば、上死点変換、又は圧縮中）。この場合問題として いるのは、前記評価装置におけると同じ燃焼室窓及び同し光導波路である。評価 装置と自己校正装置は、光学系を介して減結合されている。

第２図では更に失火検出装置２１が設けられており、この装置は、一方で、線路 １６を介して、発光に関連した信号を、他方で、セ・ンサ２２を介して、クラン ク軸角度又は機関のピストン位置に依存した信号を受信する。クランク軸角度又 は機関のピストン位置を検出するセンサは当業者には良く知られており、ここで 詳しく説明する必要はない。それは、一般に、特定の機関位置のときに特定のト リが信号を出力する。失火検知装置２１は、センサ２２からのトリガ信号によっ て確定される特定の時間窓内で発光が現れたか否かを点検する。

点火が行われた場合、通常、そうでなければならない。そうでない場合、失火検 知装置は、出力端２３から、失火を表す適宜な信号を出力する。この信号は平均 値形成器１８内の論理モジュール”抑止”に送ることができ、該モジュールは、 平均値を形成するとき、失火の現れた燃焼サイクルが無視されるようにする。こ うして、個々の失火のときに平均値が間違うことのないようにされる。失火は線 路３４を介して非常停止装置３５に伝えることもでき、該装置は特定頻度の失火 以降機関を停止させる。

実質的に部品１，６．１２．１３．１４．１５（及び場合によっては１８）を含 む評価装置部分は、燃空比の絶対値に依存して出力端１９から適宜なアナログ信 号を供給する”光λプローブである。かかるλプローブは、後続の制御装置とは 独自に商品化して利用することができる。λプローブの電気部品と制御装置１７ とを一緒に具現することも当然に可能である。

制御装置１７は、機関パラメータの希望する目標値を設定することのできる目標 値発生器２５を含む。設定された目標値Ｗと実際値Ｘ（スペクトル窓内で数サイ クルにわたって平均をとられた強度極大）との比較から、制御偏差ｘｄが得られ る。これが段２６に送られ、するとこの段は、出力端から、機関パラメータを制 御するための動作信号を出力する。こうして制御回路が閉じている。

段１４において、破線２８で示唆されたように、複数の光センサｌの制御偏差ｘ ｄを接続することができる。この段は、次に、例えば、操作量ｙを算出するため に、接続されたすべての制御偏差の最大値をとる。こうして、例えば、単一のガ ス／空気混合器のみを装備した多ノリンダ内燃機関においてすべての７リング内 の発光に依存して燃焼ガス／空気比を制御することができる。

しかし、例えば第３図に示したようなシリンダ選択的制御も考えられ、可能でも ある。そこには、例として、５ノリング内燃機関２９が示しである。各シリンダ の燃焼室内に達した光センサｌが、それぞれ、軟質光ファイバ６を介して電子評 価装置１１’　と接続されている。この電子評価装置＋１’　は、第２図に示し たように、実質的に５つの評価装置１１を含む。評価装置１１はそれぞれ線路３ ０を介して、センサ３１によってめられた信号を受信し、この信号がクランク軸 角度を表す。個々のシリンダの燃焼ガス／空気比の第３図に示した実施例におけ るように、評価装置１１を介して機関パラメータのシリンダ選択的制御が行われ る。このために、各評価装置１１から制御線３２が単一の燃焼ガス／空気比調整 装置３３へと通じている。つまり、この装置でもって、各燃焼サイクルの発光に 依存して特定の機関パラメータをシリンダ選択的に制御することが可能である。

フロントページの続き （７２）発明者　フートガー、ミカエルドイツ連邦共和国　デー１３４３７、ベ ルリン、プロダーフンシュトラーセ　５０ （７２）発明者　ピッカー、ヴアルターオーストリア国　アー−６１３０、シュ バッツ、フーセシュトラーセ　２４ （７２）発明者　ボックスタラ−、フランツオーストリア国　アー−６２００、 イエンバッハー、キエンベルクシュトラーセ　１ア−

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関、特に気体燃料で運転される火花点火機関、の機関パラメータを検 出する装置であって、内燃機関の燃焼室内で燃焼時に引き起こされる発光を観測 する少なくとも１つの光センサと、発光を、評価装置内で処理される電気信号に 変換する少なくとも１つの光検出器とを備えたものにおいて、評価装置（１１） が、各燃焼サイクルの発光の極大又は積分値を適宜な電気信号に基づいて求める 装置（１５）を含み、且つ、好ましくは、極大又は積分値の絶対値を反映した出 力信号を供給することを特徴とする装置。
2. ２．極大又は積分値を求める装置（１５）の後段に平均値形成器（１８）が設け られており、この形成器が、設定可能な数の燃焼サイクルの強度極大又は強度積 分値から、平均値に一致した信号を出力することを特徴とする、請求の範囲１に 記載の装置。
3. ３．評価装置が失火検出装置（２１）を有し、この検出装置が、一方で、発光に 関連した信号を、他方で、センサ（２２）から、クランク軸角度又は機関のピス トン位置に依存した信号を受信し、且つ、閾値より下の電気信号の場合に、クラ ンク軸角度又はピストン位置に依存した時点に、又はそのなかで通常点火が行わ れる時間窓内に、出力端（２３）から出力信号を供給することを特徴とする、請 求の範囲１又は２に記載の装置。
4. ４．失火検出装置（２１）の出力端（２３）が平均値形成器（１８）と接続され ており、平均値形成器（１８）が、平均値を形成するとき、失火を有する燃焼サ イクルを無視するように、構成されていることを特徴とする、請求の範囲２、３ に記載の装置。
5. ５．失火検出装置（２１）の出力端（２３）が、特定数又は特定頻度の失火以降 内燃機関の停止を引き起こす非常停止装置（３５）と接続されていることを特徴 とする、請求の範囲３又は４に記載の装置。
6. ６．光フィルタ（２）、好ましくは高域フィルタが、光検出器（１）の前に設け られていることを特徴とする、請求の範囲１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. ７．紫外線範囲内にもある波長観測窓が生じるように、フィルタのフィルタ特性 及び光検出器の感度範囲が選定されていることを特徴とする、請求の範囲６に記 載の装置。
8. ８．検出される波長範囲が１５０〜６５０ｎｍであることを特徴とする、請求の 範囲６又は７に記載の装置。
9. ９．機関（２９）に設けられた光センサ（１）と評価装置（１１）との間に少な くとも１つの軟質光ファイバ（６）が配置されていることを特徴とする、請求の 範囲１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. １０．光センサ（１）の内部又は表面に光フィルタ、好ましくは色ガラスフィル タ（２）が配置されていることを特徴とする、請求の範囲６〜９のいずれか１項 に記載の装置。
11. １１．燃焼室から外部に光を導く材料（２）、好ましくはガラスが、それ自身、 帯域フィルタ特性を有し、且つ好ましくは、燃焼室ごとに単一の光帯域フィルタ を形成することを特徴とする、請求の範囲１０に記載の装置。
12. １２．請求の範囲１〜１１のいずれか１項に記載の装置を備えて機関パラメータ を制御する装置において、評価装置（１１）が、更に、強度極大又は強度の積分 値に依存して少なくとも１つの機関パラメータを制御する制御装置（１７）を含 むことを特徴とする装置。
13. １３．平均値形成器（１８）の出力端（１９）が制御装置（１７）の実際値入力 端（２０）と接続されていることを特徴とする、請求の範囲２、１２に記載の装 置。
14. １４．内燃機関、特に気体燃料で運転される火花点火機関、の機関パラメータを 制御する装置であって、内燃機関の燃焼室内で燃焼時に引き起こされる発光を観 測する少なくとも１つの光センサと、発光を、評価装置内で処理される電気信号 に変換する少なくとも１つの光検出器とを備えた、特に請求の範囲１〜１２のい ずれか１項に記載のものにおいて、多シリンダ内燃機関（２９）の場合に、機関 パラメータをシリンダ選択的に制御するために各シリンダの燃焼室（９）に光セ ンサ（１）が配置されており、このセンサにそれぞれ１つの独自の光検出器及び 独自の評価装置（１１）が付属しており、この評価装置が、各シリンダの発光に 一致した電気信号及び設定可能な目標値に依存して各シリンダの機関パラメータ を制御する制御装置を備えていることを特徴とする装置。
15. １５．すべての評価装置（１１）に対して、クランク軸角度又はピストン位置を 検出する共通の装置（３１）が設けられていることを特徴とする、請求の範囲１ ４に記載の装置。
16. １６．混合気調整装置（１９，３３）が設けられており、この装置を介して、内 燃機関に供給される燃料／空気混合気の組成が燃焼室内の発光に依存して制御可 能であることを特徴とする、請求の範囲１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
17. １７．特に請求の範囲１〜１６のいずれか１項に記載の装置のための、内燃機関 内の光センサを校正する装置において、光をセンサヘと送る光源と、更に、セン サから戻ってくる光分を検出する検出装置とを特徴とする装置。
18. １８．例えば燃焼室内で燃焼によって引き起こされる測定光をセンサが受信しな いとき、光がセンサに送られることを特徴とする、請求の範囲１７に記載の装置 。
19. １９．ガス／空気混合気が燃焼室に流入する前に圧縮機、好ましくはターボ過給 機、に通されるようになった内燃機関の機関パラメータを制御することへの、請 求の範囲１〜１８のいずれか１項に記載の装置の使用。
20. ２０．内燃機関の燃焼室内の発光を検出する光センサと、それに接続されて燃焼 サイクルの発光の極大又は積分値に一致した電気信号を供給する評価装置との、 内燃機関の燃空比を所定値に制御することへの使用。