(57)【要約】【課題】赤外吸収法を用いた内燃機関の燃焼室内のガスの物理量の計測において、測定値に重畳した高周波ノイズを除去し、高周波ノイズ除去前よりも高精度に点火時期までのガスの物理量を計測することができるガス物理量計測装置を提供すること。【解決手段】クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを生成する（Ｓ４０２）。クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを、点火時期（ＳＡ）を起点として時間反転させた第２のデータ、すなわち、クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを点火時期で折り返し、点火時期を起点としてクランク角位相を逆の順序で並び替えるように空燃比を並べ替えた第２のデータを生成する。点火時期までの第１のデータに点火時期以降のデータとして第２のデータを結合して結合データを生成する（Ｓ４０４）。結合データに対してローパスフィルタ処理を行って第３のデータを生成し（Ｓ４０５）、高周波ノイズを除去した空燃比を算出する（Ｓ４０６）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に赤外光を照射して前記燃焼室内を通過した前記赤外光の透過率を計測し、計測された前記赤外光の透過率に基づき前記燃焼室内のガスの物理量を算出するガス物理量計測装置であって、
前記計測された赤外光の透過率に基づき点火時期まで算出されたクランク角位相に対する前記ガスの物理量である第１のデータを生成し、前記点火時期を起点として前記第１のデータを時間反転させた第２のデータを生成し、前記第１のデータに前記点火時期以降のデータとして前記第２のデータを結合した結合データにローパスフィルタ処理を行って第３のデータを生成し、前記第３のデータに基づき前記燃焼室内のガスの物理量を算出することを特徴とするガス物理量計測装置。
【請求項２】
前記赤外光の波長は３．３〜３．５μｍであり、前記ガスの物理量は空燃比であることを特徴とする請求項１に記載のガス物理量計測装置。
【請求項３】
前記赤外光の波長は１．２〜１．４μｍであり、前記ガスの物理量はガス温度であることを特徴とする請求項１に記載のガス物理量計測装置。
【請求項４】
前記赤外光の波長は４．３〜４．５μｍであり、前記ガスの物理量は二酸化炭素濃度であることを特徴とする請求項１に記載のガス物理量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外吸収法を用いて内燃機関の燃焼室内のガスの物理量を計測するガス物理量計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、点火プラグ、および燃焼室に燃料を噴射するインジェクタを備えた火花点火式筒内直噴エンジンが知られている。このようなエンジンにおいては、燃料を噴射するタイミング、燃料噴射量等をより精密に制御することが可能になった。その結果、燃焼室内の実際の空燃比等をより精密に計測することが求められるようになり、燃焼室を通過させた赤外光の透過率を計測することによって、赤外光を吸収した被計測ガスの濃度を算出する燃料濃度計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来の赤外線を用いた内燃機関の燃料濃度又は空燃比（Ａ／Ｆ）の計測では、計測システムにおける、振動、光源（レーザ）の発振振動、受光器の受光感度の変動、電気ノイズ等、様々な要因により高周波ノイズが発生する。
【０００４】
図１（ａ）にクランク角位相に対して赤外光を受光した光伝導素子の出力電圧を示し、図１（ｂ）に各周波数におけるパワースペクトル密度を示す。空燃比は、エンジンの回転数に比例した周期、図１（ｂ）に示す例では２０Ｈｚ程度で変動するので、空燃比の変動周期に対応する２０Ｈｚ近傍のスペクトル成分が最も密度が高くなっている。一方で、空燃比の変動周期よりも高い周波数（１ｋＨｚ〜）の成分も含まれているが、これは上述した高周波ノイズに対応する成分であると考えられる。つまり、図１（ａ）に示す計測波形には高周波ノイズが重畳していると考えられ、これら計測値をそのまま使用して空燃比を算出すると、誤差が大きくなる。
【０００５】
そのため計測精度をさらに高めるためには、この高周波ノイズをローパスフィルタ処理等によって除去する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１８４１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術では、点火時期（ＳＡ）直後などの点火することで燃料が瞬時に酸化し、空燃比が急変する急変部においては、赤外線の透過率から算出した空燃比に対してローパスフィルタ処理を行うと空燃比の急変部の値の影響が大きくなるため、空燃比が急変する直前の点火時期付近の空燃比の算出値も急変部の値側に大きくシフトして誤差が大きくなるという課題がある。
【０００８】
図２に、従来の計測方法におけるクランク角位相に対する受光素子の透過電圧の生データ、およびローパスフィルタ処理後のデータを示す。これは、ローパスフィルタ処理のカットオフ周波数が低くなるに従って、点火時期付近の計測値は生データに比べて大きくなっていく様子を示している。
【０００９】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、赤外吸収法を用いた内燃機関の燃焼室内のガスの物理量の計測において、点火時期までの測定データに点火時期までの測定データを時間反転したものを点火時期以降の測定データとして結合した結合データを生成し、結合データに対してローパスフィルタ処理を行うことにより、測定データに重畳した高周波ノイズを除去し、高周波ノイズ除去前よりも高精度に点火時期までのガスの物理量を計測することができるガス物理量計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、内燃機関の燃焼室に赤外光を照射して前記燃焼室内を通過した前記赤外光の透過率を計測し、計測された前記赤外光の透過率に基づき前記燃焼室内のガスの物理量を算出するガス物理量計測装置であって、前記計測された赤外光の透過率に基づき点火時期まで算出されたクランク角位相に対する前記ガスの物理量である第１のデータを生成し、前記点火時期を起点として前記第１のデータを時間反転させた第２のデータを生成し、前記第１のデータに前記点火時期以降のデータとして前記第２のデータを結合した結合データにローパスフィルタ処理を行って第３のデータを生成し、前記第３のデータに基づき前記燃焼室内のガスの物理量を算出することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のガス物理量計測装置において、前記赤外光の波長は３．３〜３．５μｍであり、前記ガスの物理量は空燃比であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のガス物理量計測装置において、前記赤外光の波長は１．２〜１．４μｍであり、前記ガスの物理量はガス温度であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のガス物理量計測装置において、前記赤外光の波長は４．３〜４．５μｍであり、前記ガスの物理量は二酸化炭素濃度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、赤外吸収法を用いた内燃機関の燃焼室内のガスの物理量の計測において、点火時期までの測定データに点火時期までの測定データを時間反転したものを点火時期以降の測定データとして結合した結合データを生成し、結合データに対してローパスフィルタ処理を行うことにより、測定データに重畳した高周波ノイズを除去し、高周波ノイズ除去前よりも高精度に点火時期までのガスの物理量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）はクランク角位相に対して赤外光を受光した光伝導素子の透過電圧を示す図であり、（ｂ）は各周波数におけるパワースペクトル密度を示す図である。
【図２】従来の計測方法におけるクランク角位相に対する受光素子の透過電圧の生データ、およびローパスフィルタ処理後のデータを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガス物理量計測装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガス物理量計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図５】（a）は、計測された赤外線透過率から生成されたクランク角位相に対する空燃比の第１のデータを示す図であり、（ｂ）は、クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを、点火時期を起点として時間反転させた第２のデータを、点火時期までの第１のデータに点火時期以降のデータとして結合した結合データを示す図であり、（ｃ）は、結合データに対してローパスフィルタ処理を行って生成した第３のデータを示す図である。
【図６】１サイクルの計測例として、クランク角位相に対する空燃比の生データと、本発明のローパスフィルタ処理後のクランク角位相に対する空燃比のデータとを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１７】
図３に、本発明の一実施形態に係るガス物理量計測装置の構成を示す。ガス物理量計測装置は、被計測物理量に対応する周波数の赤外光を出射する光源３０１と、赤外光を内燃機関の燃焼室まで導き、燃焼室内を通過した赤外光を外部に導く光導波路３０２と、燃焼室内を透過した赤外光を受光して光強度を電気信号として出力する受光素子３０３と、受光素子から出力された電気信号を処理して空燃比を算出する演算部３０４とを備えている。尚、本発明では、演算部３０４以外の光源３０１から受光素子３０３までの構成は、内燃機関の燃焼室内を通過した赤外光の光強度を電気信号として出力可能なものであれば他の構成で代替可能である。
【００１８】
図４に、本発明の一実施形態に係るガス物理量計測装置の動作を説明するフロー図を示す。赤外吸収法を用いた内燃機関の燃焼室内のガス物理量計測装置において、燃焼室内を通過した赤外光の点火時期までの透過率を計測する（Ｓ４０１）。計測された赤外光の透過率から、図５（ａ）に示すようなクランク角位相に対する空燃比の第１のデータを生成する（Ｓ４０２）。算出したクランク角位相に対する空燃比の点火時期（ＳＡ）を確認し（Ｓ４０３）、クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを、点火時期を起点として時間反転させた第２のデータ、すなわち、クランク角位相に対する空燃比の第１のデータを点火時期で折り返し、点火時期を起点としてクランク角位相を逆の順序で並び替えるように空燃比を並べ替えた第２のデータを生成する。そして、点火時期までの第１のデータに点火時期以降のデータとして第２のデータを結合して図５（ｂ）に示すような結合データを生成する（Ｓ４０４）。折り返しデータに対してローパスフィルタ処理を行って第３のデータを生成し（Ｓ４０５）、図５（ｃ）に示すような高周波ノイズを除去した空燃比を算出する（Ｓ４０６）。
【００１９】
図６に、１サイクルの計測例として、クランク角位相に対する空燃比の生データと、クランク角位相に対する空燃比の本発明によるローパスフィルタ処理後のデータを示す。このときの点火時期における空燃比は、従来方法による計測値が１２．６であったのに対し、本発明による計測値では１２．３であった。
【００２０】
また、表１は、２００サイクル分のデータを元に従来の計測方法（ローパスフィルタ処理無し）と本発明の計測方法で算出した点火時期における空燃比の平均、分散、標準偏差、最小値、最大値を示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１は、本発明では、これまでローパスフィルタ処理を行うと計測誤差が大きくなる急変部近傍の値についても、誤差を抑制しながらローパスフィルタ処理を行うことを可能にし、高周波ノイズを含む生データよりもばらつきの小さい空燃比の計測が可能であることを示している。
【００２３】
ここまで空燃比を計測する場合について説明してきたが、使用する赤外光の周波数を変えることによって計測対象となるガスの物理量を変えることができる。空燃比を計測するのに適した波長は３．３〜３．５μｍであり、例えば燃焼室内のガス温度を計測するのには１．２〜１．４μｍ、燃焼室内の二酸化炭素濃度を計測するのには４．３〜４．５μｍの波長が適している。本発明においても、使用する赤外光の周波数を変えることによって様々なガスの物理量を計測することができ、使用する赤外光の波長に関わらず同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００２４】
３０１  光源
３０２  光導波路
３０３  受光素子
３０４  演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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