JP2859892B2 - Engine combustion gas analysis method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、四重極質量検出器を利用したエンジンの燃
焼ガス分析方法に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for analyzing combustion gas of an engine using a quadrupole mass detector.
[従来の技術] エミッション性能あるいは燃費性能の向上を図るため
に、電子制御システムを設けて混合気の燃焼制御あるい
は空燃比制御を行うようにしたエンジンは従来より知ら
れている。このような燃焼制御あるいは空燃比制御を効
果的に行うためには、制御情報として燃焼ガス組成ある
いは空燃比をリアルタイムで高精度に検出する必要があ
る。なお、本願において燃焼ガスとは吸入空気に燃料が
混合された後における吸・排気の総称であり、燃焼の前
後を問わない。2. Description of the Related Art Conventionally, an engine provided with an electronic control system to perform combustion control of an air-fuel mixture or air-fuel ratio control in order to improve emission performance or fuel consumption performance has been known. In order to effectively perform such combustion control or air-fuel ratio control, it is necessary to detect the combustion gas composition or the air-fuel ratio as control information with high accuracy in real time. In the present application, the term "combustion gas" is a general term for intake and exhaust after fuel is mixed into intake air, regardless of before or after combustion.
そして、燃焼ガス組成あるいは空燃比をリアルタイム
で検出するためのガス分析装置として、例えば第9図に
示すように、四重極質量検出器101を用いたものが知ら
れている(実開昭58−26660号公報参照)。第9図に示
すガス分析装置は、混合気の炭化水素量(空燃比)を検
出するためのものであるが、エンジンから抽出された試
料ガス(混合気)を、空気と混合して酸化触媒を用いた
コンバータ102に導入し、試料ガス中の炭化水素をすべ
て酸化して二酸化炭素に変えた後、第1真空ポンプ103
によって減圧された第1減圧室104に導入し、ここから
さらに第2真空ポンプ105によって減圧された高真空の
第2減圧室106に導入し、この第2減圧室106内の試料ガ
スの一部を四重極質量検出器101に導入してその中の二
酸化炭素量を検出し、この二酸化炭素量から炭化水素量
を算出するようになっている。このような四重極質量検
出器101を備えたガス分析装置は、目的成分量の検出速
度が非常に速いので(例えば、10ミリ秒)、エンジンの
燃焼制御あるいは空燃比制御に必要な制御情報をリアル
タイムで検出することができる。As a gas analyzer for detecting a combustion gas composition or an air-fuel ratio in real time, for example, a gas analyzer using a quadrupole mass detector 101 is known as shown in FIG. -26660). The gas analyzer shown in FIG. 9 is for detecting the amount of hydrocarbons (air-fuel ratio) in an air-fuel mixture, and a sample gas (air-fuel mixture) extracted from an engine is mixed with air to form an oxidation catalyst. And then oxidize all the hydrocarbons in the sample gas to carbon dioxide.
Is introduced into a first decompression chamber 104 which is depressurized by the second decompression chamber 106, and further introduced into a second decompression chamber 106 of a high vacuum decompressed by a second vacuum pump 105. Is introduced into the quadrupole mass detector 101, the amount of carbon dioxide therein is detected, and the amount of hydrocarbon is calculated from the amount of carbon dioxide. Since the gas analyzer equipped with such a quadrupole mass detector 101 has a very fast detection rate of the target component amount (for example, 10 milliseconds), control information necessary for engine combustion control or air-fuel ratio control is required. Can be detected in real time.
[発明が解決しようとする課題] ところで、エンジンの燃焼室と、第9図に示すような
ガス分析装置とを連通する燃焼ガス抽出通路を設け、燃
焼室内の燃焼ガスを直接ガス分析装置に導入してこれを
リアルタイムで分析する場合、燃焼室内の圧力が激しく
変化するのでこれに伴って四重極質量検出器101が臨設
された第2減圧室106内の圧力(真空度)を変動する。
ところが、四重極質量検出器101では目的成分の絶対量
が計測されるようになっているので、第2減圧室106内
の圧力が変化するとこれに伴って目的成分量の検出値が
変化する。そこで、このような場合には、一般に第2減
圧室106に圧力計を設けてその圧力(真空度)を検出
し、この検出値に基づいて圧力補正を行うようにしてい
る。しかしながら、このような高真空用の圧力計はガス
成分の種類によって感度が異なるので、上記圧力補正に
はかなりの誤差が伴われ、目的成分量の検出値の精度が
低くなるといった問題がある。[Problems to be Solved by the Invention] By the way, a combustion gas extraction passage communicating the combustion chamber of the engine with the gas analyzer as shown in FIG. 9 is provided, and the combustion gas in the combustion chamber is directly introduced into the gas analyzer. Then, when analyzing this in real time, the pressure (degree of vacuum) in the second decompression chamber 106 in which the quadrupole mass detector 101 is provided fluctuates with the fluctuation of the pressure in the combustion chamber.
However, since the quadrupole mass detector 101 measures the absolute amount of the target component, when the pressure in the second decompression chamber 106 changes, the detection value of the target component amount changes accordingly. . Therefore, in such a case, a pressure gauge is generally provided in the second decompression chamber 106 to detect the pressure (degree of vacuum), and the pressure is corrected based on the detected value. However, such a high-vacuum pressure gauge has a different sensitivity depending on the type of gas component. Therefore, there is a problem that the pressure correction involves a considerable error and the accuracy of the detection value of the target component amount is reduced.
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであ
って、燃焼室内の燃焼ガスを直接的に高真空の減圧室に
導入し、これを四重極質量検出器で分析するようにした
エンジンの燃焼ガス分析方法において、燃焼室内の圧力
変化に伴って減圧室内の圧力が変化しても、目的成分量
を高精度で検出することができるエンジンの燃焼ガス分
析方法を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and directly introduces a combustion gas in a combustion chamber into a high-vacuum decompression chamber and analyzes the gas by a quadrupole mass detector. An object of the present invention is to provide an engine combustion gas analysis method capable of detecting a target component amount with high accuracy even if the pressure in the decompression chamber changes in accordance with the pressure change in the combustion chamber. And
[課題を解決するための手段] 本願発明者らは、燃焼室内から直接的に燃焼ガスを減
圧室に導入し、これを四重極質量検出器で分析して目的
成分量を検出する場合において、燃焼室内の圧力が変化
するとこれに伴って減圧室内の圧力も変化し、四重極質
量検出器で検出される各成分のイオン強度が変化する
が、このような変化は各成分のイオン強度に対して均等
な倍率で作用するものと考え、各成分のイオン強度の比
(イオン強度比)をとれば上記圧力変化分が打ち消さ
れ、したがってイオン強度比は減圧室内の圧力変化の影
響を受けないであろうと考えた。[Means for Solving the Problems] The present inventors introduce a combustion gas directly from a combustion chamber into a decompression chamber and analyze it with a quadrupole mass detector to detect a target component amount. When the pressure in the combustion chamber changes, the pressure in the decompression chamber changes accordingly, and the ionic strength of each component detected by the quadrupole mass detector changes. And the ratio of the ion intensity of each component (ion intensity ratio) cancels out the above-mentioned change in pressure. Therefore, the ion intensity ratio is affected by the pressure change in the decompression chamber. Thought it would not be.
これを確認すべく、燃焼室内に同一組成の燃焼ガスを
閉じ込めてその圧力を種々変化させ、したがって減圧室
内の圧力を変化させ、目的成分のイオン強度と不活性成
分のイオン強度の比(イオン強度比)を計測したとこ
ろ、該イオン強度比は燃焼室内(減圧室内)の圧力が変
化しても一定であるという結果が得られた(第3図参
照)。In order to confirm this, the combustion gas of the same composition is confined in the combustion chamber and its pressure is changed variously. Therefore, the pressure in the decompression chamber is changed and the ratio of the ion intensity of the target component to the ion intensity of the inactive component (ion intensity) As a result, it was found that the ionic strength ratio was constant even when the pressure in the combustion chamber (decompression chamber) was changed (see FIG. 3).
そして、燃焼室内の混合気に含まれる窒素等の不活性
ガス成分量は混合気の燃焼によって変化しない。したが
って、四重極質量検出器で目的成分のイオン強度と不活
性ガス成分のイオン強度の比(イオン強度比)を求める
ようにすれば、このイオン強度比と吸入吸気量とから燃
焼室内の目的成分量を求めることできると考えた。The amount of the inert gas component such as nitrogen contained in the mixture in the combustion chamber does not change due to the combustion of the mixture. Accordingly, if the ratio of the ion intensity of the target component to the ion intensity of the inert gas component (ion intensity ratio) is determined by the quadrupole mass detector, the target in the combustion chamber can be determined from the ion intensity ratio and the amount of intake air. It was thought that the amount of the component could be determined.
このような事実および考察に着目して、本発明は上記
の目的を達成するため、エンジンの燃焼ガスを抽出する
ための燃焼ガス抽出通路と、該燃焼ガス抽出通路に接続
されるとともに真空排気手段によって高真空に減圧され
る減圧室と、該減圧室に臨んで配置される四重極質量検
出器とを設け、燃焼ガスを燃焼ガス抽出通路を通して減
圧室に導入し、四重極質量検出器で減圧室に導入された
燃焼ガスの一部をイオン化するとともにその中の目的成
分のイオン強度を検出し、このイオン強度に基づいて目
的成分量を求めるようにしたエンジンの燃焼ガス分析方
法において、あらかじめ目的成分量が既知である標準ガ
スに対して、目的成分のイオン強度と不活性ガス成分の
イオン強度とを検出し、これらの両イオン強度から基準
イオン強度比を求め、この基準イオン強度比と目的成分
量との対応関係を求め、次に実際の燃焼ガスに対して、
目的成分のイオン強度と不活性ガス成分のイオン強度と
を検出し、これらの両イオン強度からイオン強度比を求
め、このイオン強度比と上記対応関係とから燃焼ガス中
の目的成分量を演算して求めるようにしたことを特徴と
するエンジンの燃焼ガス分析方法を提供する。Focusing on such facts and considerations, in order to achieve the above object, the present invention provides a combustion gas extraction passage for extracting combustion gas of an engine, and a vacuum exhaust means connected to the combustion gas extraction passage. A decompression chamber which is decompressed to a high vacuum, and a quadrupole mass detector disposed facing the decompression chamber, introducing combustion gas into the decompression chamber through a combustion gas extraction passage, In a combustion gas analysis method for an engine, a part of the combustion gas introduced into the decompression chamber is ionized and the ionic strength of the target component in the chamber is detected, and the amount of the target component is determined based on the ionic strength. Detects the ionic strength of the target component and the ionic strength of the inert gas component for a standard gas whose amount of the target component is known in advance, and calculates the standard ionic strength ratio from both ionic strengths Obtains the corresponding relationship between the reference ion intensity ratio and the target component amount, relative to the next actual combustion gases,
Detect the ionic strength of the target component and the ionic strength of the inert gas component, determine the ionic strength ratio from both ionic strengths, and calculate the amount of the target component in the combustion gas from the ionic strength ratio and the above correspondence. The present invention provides a method for analyzing combustion gas of an engine, characterized in that it is determined by the following method.
[発明の作用・効果] 本発明によれば、目的成分のイオン強度と不活性ガス
成分のイオン強度の比(イオン強度比)が求められ、こ
のイオン強度比と、あらかじめ標準ガスで得られたイオ
ン強度比と目的成分量との間の対応関係とによって、目
的成分量が求められるが、上記イオン強度比は燃焼室内
ないし減圧室内の圧力によらず一定となる。したがっ
て、燃焼室内の圧力、したがって減圧室内の圧力が変動
しても、これに対する圧力補正を行うことなく、燃焼ガ
ス中の目的成分量を高精度で検出することができる。According to the present invention, the ratio between the ionic strength of the target component and the ionic strength of the inert gas component (ionic strength ratio) is determined, and the ionic strength ratio and the ionic strength obtained in advance with a standard gas are obtained. The target component amount is obtained from the correspondence between the ion intensity ratio and the target component amount, but the ion intensity ratio is constant regardless of the pressure in the combustion chamber or the decompression chamber. Therefore, even if the pressure in the combustion chamber, that is, the pressure in the decompression chamber, fluctuates, the target component amount in the combustion gas can be detected with high accuracy without performing pressure correction for the fluctuation.
なお、圧力補正を行わないので、減圧室用の圧力計を
設ける必要がなくなり、ガス分析装置を簡素化すること
ができる。Since pressure correction is not performed, it is not necessary to provide a pressure gauge for the decompression chamber, and the gas analyzer can be simplified.
[実施例] 以下、本発明の実施例を具体的に説明する。[Examples] Examples of the present invention will be specifically described below.
<第1実施例> 第1図に示すように、エンジンCEは、吸気弁1が開か
れたときに吸気ポート2を介して吸気通路3から燃焼室
4内に混合気を吸入し、この混合気をピストン5で圧縮
して添加プラグ(図示せず)で着荷燃焼させ、燃焼ガス
を排気弁6が開かれた時に排気ポート7から排気通路8
に排出するようになっている。<First Embodiment> As shown in Fig. 1, when an intake valve 1 is opened, an engine CE draws a mixture into a combustion chamber 4 from an intake passage 3 through an intake port 2 and mixes the mixture. The gas is compressed by the piston 5 and burned by an addition plug (not shown), and the combustion gas is discharged from the exhaust port 7 to the exhaust passage 8 when the exhaust valve 6 is opened.
To be discharged.
このエンジンCEに対して、燃焼室4内の燃焼ガス中の
目的成分量を検出するために四重極質量検出器9を備え
た燃焼ガス分析装置GAが設けられている。この燃焼ガス
分析装置GAには、上流側端部で燃焼室4と連通する燃焼
ガス抽出通路11が接続され、この燃焼ガス抽出通路11に
はこれを所定のタイミングで開閉する電磁開閉弁12が介
設されている。A combustion gas analyzer GA provided with a quadrupole mass detector 9 for detecting the amount of a target component in the combustion gas in the combustion chamber 4 is provided for the engine CE. The combustion gas analyzer GA is connected to a combustion gas extraction passage 11 that communicates with the combustion chamber 4 at an upstream end. The combustion gas extraction passage 11 has an electromagnetic on-off valve 12 that opens and closes the combustion gas at a predetermined timing. It is interposed.
燃焼ガス分析装置GAには、ロータリ式の第1真空ポン
プ13によって比較的低真空(例えば、10-2Torr)に減圧
される第1減圧室14と、ターボ分子ポンプ15とロータリ
式の第2真空ポンプ16とによって高真空(例えば、10-5
Torr)に減圧される第2減圧室17とが設けられている。
そして、燃焼ガス抽出通路11の下流側端部は、第1減圧
室14のエンジン側の端面を貫通して反エンジン側の端面
のやや手前で第1減圧室14内に開放され、電磁開閉弁12
が開弁されたときには、燃焼室4内の燃焼ガスが燃焼ガ
ス抽出通路11を通してまず第1減圧室14に導入されるよ
うになっている。The combustion gas analyzer GA includes a first decompression chamber 14 that is depressurized to a relatively low vacuum (for example, 10 −2 Torr) by a rotary first vacuum pump 13, a turbo molecular pump 15, and a rotary second pump. High vacuum (for example, 10 -5
And a second decompression chamber 17 for decompression to Torr.
The downstream end of the combustion gas extraction passage 11 passes through the end face of the first decompression chamber 14 on the engine side, and is opened into the first decompression chamber 14 slightly before the end face on the opposite side to the engine. 12
When the valve is opened, the combustion gas in the combustion chamber 4 is first introduced into the first decompression chamber 14 through the combustion gas extraction passage 11.
第2減圧室17は、第1減圧室14の反エンジン側の端面
に隣接して配置され、燃焼ガス抽出通路11の下流側端部
と対向する位置において第1減圧室14と第2減圧室17と
の仕切壁18には両減圧室14,17を連通する連通穴19が設
けられている。この連通穴19の第1減圧室14側の開口部
には、連通穴19を通して第1減圧室14から第2減圧室17
に流入する燃焼ガスの流量を規制するオリフィス21が設
けられている。The second decompression chamber 17 is disposed adjacent to the end face of the first decompression chamber 14 on the side opposite to the engine, and is opposed to the downstream end of the combustion gas extraction passage 11 and the second decompression chamber 14. A communication hole 19 for communicating the two decompression chambers 14 and 17 is provided in a partition wall 18 with the communication chamber 17. The opening of the communication hole 19 on the side of the first decompression chamber 14 is passed through the communication hole 19 from the first decompression chamber 14 to the second decompression chamber 17.
An orifice 21 is provided for regulating the flow rate of the combustion gas flowing into the orifice.
そして、第2減圧室17の燃焼ガス流れ方向に沿ったほ
ぼ中央部には燃焼ガス中の各成分をイオン化し、その中
の任意の成分のイオン種のイオン強度を検出できるよう
になった四重極質量検出器9が設けられている。この四
重極質量検出器9は、イオンソース部、レンズ系、四重
極電極、2次電子増倍管等を備えた普通の四重極質量検
出器であるので、その構造の詳しい説明は省略する。な
お、第2減圧室17には、四重極質量検出器9の上流側と
下流側とに、夫々第1バルブ22と第2バルブ23とが設け
られている。At approximately the center of the second decompression chamber 17 along the flow direction of the combustion gas, each component in the combustion gas is ionized, and the ionic strength of an ionic species of an arbitrary component therein can be detected. A quadrupole mass detector 9 is provided. This quadrupole mass detector 9 is an ordinary quadrupole mass detector including an ion source unit, a lens system, a quadrupole electrode, a secondary electron multiplier, and the like. Omitted. In the second decompression chamber 17, a first valve 22 and a second valve 23 are provided upstream and downstream of the quadrupole mass detector 9, respectively.
ところで、四重極質量検出器9では、燃焼ガス中の目
的成分のイオン種のイオン強度と不活性ガス成分のイオ
ン種のイオン強度とが検出されるようになっているが、
これらの各イオン強度検出値は、制御用コンピュータ24
に送られ、目的成分のイオン強度と不活性ガス成分のイ
オン強度の比(イオン強度比)が算出され、このイオン
強度比に基づいて燃焼ガス中の目的成分量が高精度で算
出されるようになっている。By the way, the quadrupole mass detector 9 detects the ionic strength of the ionic species of the target component and the ionic strength of the inert gas component in the combustion gas.
Each of these ion intensity detection values is stored in the control computer 24.
To calculate the ratio of the ionic strength of the target component to the ionic strength of the inert gas component (the ionic strength ratio), and calculate the amount of the target component in the combustion gas with high accuracy based on the ionic strength ratio. It has become.
以下、第2図に示すフローチャートに従って、制御用
コンピュータ24による燃焼ガス中の目的成分の検出方法
について説明する。Hereinafter, a method of detecting the target component in the combustion gas by the control computer 24 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
ステップS1では、第2減圧室17に目的成分量が既知で
ある標準ガスが導入される。この標準ガスは、例えば予
め質量が測定された目的成分ガスと空気とを混合して調
製すればよい。なお、標準ガスは燃焼室4を経由せず直
接燃焼ガス分析装置GAに導入してもよい。In step S1, a standard gas whose target component amount is known is introduced into the second decompression chamber 17. The standard gas may be prepared, for example, by mixing a target component gas whose mass has been measured in advance and air. The standard gas may be directly introduced into the combustion gas analyzer GA without passing through the combustion chamber 4.
ステップS2では、標準ガス中の不活性ガス成分のイオ
ン強度と目的成分ガスのイオン強度とが測定される。不
活性ガス成分としては、窒素あるいはアルゴンを選択す
ればよい。イオン強度の検出は、一般の四重極質量検出
器の場合と同様、イオンソース部で標準ガスをイオン化
し、これらの各イオンをレンズ系で収束させてイオンビ
ームを形成し、このイオンビームを四重極電極に導入し
て検出すべき成分以外の成分を取り除き、検出すべき成
分のイオンビームのみを2次電極増倍管に導入してその
電流値(イオン強度)を検出するといった方法で行なわ
れる。In step S2, the ionic strength of the inert gas component and the ionic strength of the target component gas in the standard gas are measured. Nitrogen or argon may be selected as the inert gas component. As in the case of a general quadrupole mass detector, the ion intensity is detected by ionizing a standard gas in an ion source, and converging each of these ions with a lens system to form an ion beam. A component other than the component to be detected is introduced into the quadrupole electrode, and only the ion beam of the component to be detected is introduced into the secondary electrode multiplier and the current value (ion intensity) is detected. Done.
ステップS3では、基準ガスについて、目的成分ガスの
イオン強度と不活性ガス成分のイオン強度との比(基準
イオン強度比)が算出され、この基準イオン強度比と標
準ガス中の目的成分量との間の対応関係が制御用コンピ
ュータ24内のメモリに記憶される。In step S3, for the reference gas, a ratio (reference ion intensity ratio) between the ion intensity of the target component gas and the ion intensity of the inert gas component is calculated, and the ratio between the reference ion intensity ratio and the target component amount in the standard gas is calculated. The correspondence between them is stored in a memory in the control computer 24.
ステップS4では、制御用コンピュータ24からの信号に
よって所定のタイミングで電磁開閉弁12が開かれ、燃焼
室4から燃焼ガス分析装置GAに試料ガス(燃焼ガス)が
導入される。この試料ガスは、まず第1減圧室14内に導
入され、オリフィス21で流量が調整され、第2減圧室17
内に導入された後、その一部が四重極質量検出器9に導
入される。In step S4, the electromagnetic on-off valve 12 is opened at a predetermined timing according to a signal from the control computer 24, and a sample gas (combustion gas) is introduced from the combustion chamber 4 into the combustion gas analyzer GA. This sample gas is first introduced into the first decompression chamber 14, the flow rate is adjusted by the orifice 21,
After that, a part thereof is introduced into the quadrupole mass detector 9.
ステップS5では、試料ガス中の不活性ガス成分のイオ
ン強度と目的成分ガスのイオン強度とが検出される。イ
オン強度の検出方法は前記した標準ガスの場合と同様で
ある。In step S5, the ionic strength of the inert gas component and the ionic strength of the target component gas in the sample gas are detected. The method for detecting the ionic strength is the same as that for the standard gas described above.
ステップS6では、燃焼ガス(試料ガス)について、目
的成分ガスのイオン強度と不活性ガス成分のイオン強度
との比(イオン強度比)が算出され、このイオン強度比
と、メモリに記憶された標準ガスについての基準イオン
強度比と目的成分量との間の対応関係とから、燃焼ガス
中の目的成分量が算出される。この場合、前記したとお
りイオン強度比は燃焼室4内(第2減圧室17内)の圧力
には影響されないので、目的成分ガス量の検出値も、燃
焼室4内(第2減圧室17内)の圧力には影響されなくな
る。In step S6, for the combustion gas (sample gas), a ratio (ion intensity ratio) between the ion intensity of the target component gas and the ion intensity of the inert gas component is calculated, and the ion intensity ratio and the standard stored in the memory are calculated. The target component amount in the combustion gas is calculated from the correspondence between the reference ion intensity ratio for the gas and the target component amount. In this case, as described above, since the ion intensity ratio is not affected by the pressure in the combustion chamber 4 (in the second decompression chamber 17), the detected value of the target component gas amount is also in the combustion chamber 4 (in the second decompression chamber 17). ) Is no longer affected by the pressure.
燃焼室4内の圧力を種々変化させて、同一組成の試料
ガスに対して、目的成分ガス(CO2)と不活性ガス成分
(N2)との間のイオン強度比を測定した結果を第3図に
示す。第3図から明らかなように、イオン強度比は燃焼
室4内の圧力が変化しても一定である。したがって、燃
焼室4内の圧力(第2減圧室17内)の圧力が変動して
も、これにかかわりなく常に高精度で燃焼ガス中の目的
成分ガス量を測定することができる。The results of measuring the ion intensity ratio between the target component gas (CO 2 ) and the inert gas component (N 2 ) for the sample gas having the same composition by varying the pressure in the combustion chamber 4 variously are shown in FIG. It is shown in FIG. As is clear from FIG. 3, the ion intensity ratio is constant even when the pressure in the combustion chamber 4 changes. Therefore, even if the pressure in the combustion chamber 4 (in the second decompression chamber 17) fluctuates, the target component gas amount in the combustion gas can always be measured with high accuracy regardless of the fluctuation.
ステップS7では、燃焼ガスの分析を続行するか否かが
判定され、分析を続行する場合(YES)はステップS4〜
ステップS7が繰り返して実行される。In step S7, it is determined whether or not to continue the analysis of the combustion gas. If the analysis is to be continued (YES), steps S4 to S4 are performed.
Step S7 is repeatedly executed.
なお、本発明は第1実施例のように燃焼室4内の燃焼
ガスの分析だけではなく、排気通路内の排気ガスの分
析、あるいは吸気通路内の混合気の分析にも適用するこ
とができる。The present invention can be applied not only to the analysis of the combustion gas in the combustion chamber 4 as in the first embodiment, but also to the analysis of the exhaust gas in the exhaust passage or the analysis of the air-fuel mixture in the intake passage. .
<第2実施例> 本発明は空燃比(A/F)のリアルタイムな測定にも適
用される。以下、本発明を空燃比(A/F)の測定に適用
した第2実施例について説明する。Second Embodiment The present invention is also applied to real-time measurement of the air-fuel ratio (A / F). Hereinafter, a second embodiment in which the present invention is applied to the measurement of the air-fuel ratio (A / F) will be described.
第4図は、四重極質量検出器9を備えた混合気の空燃
比(A/F)を検出するための空燃比検出装置FAである
が、その各部の構成は第1図に示す燃焼ガス分析装置と
ほぼ同一であるので、同一の構造・機能を有する部材に
は第1図と同一番号を付してその説明を省略する。FIG. 4 shows an air-fuel ratio detecting apparatus FA for detecting an air-fuel ratio (A / F) of an air-fuel mixture provided with a quadrupole mass detector 9. The configuration of each part is the combustion shown in FIG. Since the gas analyzer is almost the same as the gas analyzer, members having the same structure and function are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 and their description is omitted.
一般的に、四重極質量検出器を用いて混合気を分析
し、空燃比を算出する場合、本来は燃料(混合気)を構
成するすべての種類の炭化水素と空気の構成成分の1つ
(例えば酸素)の含有量を検出すべきであるが、燃料を
構成する炭化水素は非常に多種にわたるので、すべての
種類の炭化水素量を検出しようとすると検出に時間がか
かり過ぎ、リアルタイムな検出が実質的に不可能とな
る。Generally, when the air-fuel ratio is calculated by analyzing the air-fuel mixture using a quadrupole mass detector, one of the constituents of all kinds of hydrocarbons and air that originally constitute the fuel (air-fuel mixture) Although the content of (e.g., oxygen) should be detected, the amount of hydrocarbons that make up the fuel is so diverse that it takes too long to detect all types of hydrocarbons, and real-time detection Becomes virtually impossible.
そこで、第9図に示す前記の四重極質量検出器101を
備えた空燃比測定用のガス分析装置では、試料ガス中の
全炭化水素を酸素触媒を用いたコンバータ102で二酸化
炭素に変え、試料ガス中の二酸化炭素量を測定し、この
二酸化炭素量から全炭化水素量を算出するようにしてい
る。しかし、この方法では炭化水素を酸化して二酸化炭
素に変えるのにやや時間がかかるので、応答性が悪くな
るといった問題がある。Therefore, in the gas analyzer for air-fuel ratio measurement provided with the quadrupole mass detector 101 shown in FIG. 9, all hydrocarbons in the sample gas are converted into carbon dioxide by a converter 102 using an oxygen catalyst. The amount of carbon dioxide in the sample gas is measured, and the total amount of hydrocarbons is calculated from the amount of carbon dioxide. However, in this method, it takes a little time to oxidize hydrocarbons and convert them to carbon dioxide, so that there is a problem that responsiveness is deteriorated.
また、コンバータ102内の酸化触媒は、第10図に示す
ように、試料ガス温度が300℃以上に保持されないと活
性が低下する。このため、コンバータ102に試料ガス加
熱装置を設けなければならず、ガス分析装置の構造が複
雑化するといった問題がある。Further, as shown in FIG. 10, the activity of the oxidation catalyst in converter 102 decreases unless the sample gas temperature is maintained at 300 ° C. or higher. For this reason, the converter 102 must be provided with a sample gas heating device, and there is a problem that the structure of the gas analyzer becomes complicated.
そこで、本出願人は試料ガス中に含まれる炭化水素
中、数種の代表的成分(例えば、C5〜C8成分)を選択
し、これらの代表的成分についてのみイオン強度を測定
してその含有量を測定し、上記代表的成分量と全炭化水
素量との間の一般的な相関関係に基づいて、試料ガス中
の全炭化水素量を算出するようにしたガス分析方法を提
案している(特開昭63−262561号公報参照)。しかしな
がら、この分析方法によれば、エンジンの高回転域で
は、算出された空燃比(A/F)が実際の空燃比(A/F)よ
り若干リーン側にずれるといった現象が生じている。The present applicant has in hydrocarbons contained in the sample gas, to select several representative components (e.g., C 5 -C 8 components), by measuring the ionic strength only these representative components thereof Measure the content, based on the general correlation between the representative component amount and the total hydrocarbon amount, to propose a gas analysis method to calculate the total hydrocarbon amount in the sample gas (See JP-A-63-262561). However, according to this analysis method, a phenomenon occurs in which the calculated air-fuel ratio (A / F) slightly deviates from the actual air-fuel ratio (A / F) in the high rotation range of the engine.
そこで、本願発明者らはその原因について詳細な検討
を行い、次のような結論を得た。Then, the inventors of the present application conducted detailed studies on the cause, and obtained the following conclusions.
高回転域では混合気の温度が上昇するが、混合気の温
度が高くなると、測定の対象となる代表的成分(例え
ば、C5〜C8成分)が測定の対象とならない低分子量の炭
化水素(例えば、C4成分)に熱分解される。第5図に、
普通のガソリンを、常温〜350℃に変化させた場合の、C
4〜C8成分の変化の特性を示す。第5図から明らかなよ
うに、ほぼ180℃以上では、とくにC7〜C8成分が熱分解
し、これによって従来は測定の対象とされていなかった
C4成分が大幅に増加していることがわかる。Although the high rpm the temperature of the mixture increases, the temperature of the mixture is increased, subject to measurement representative component (e.g., C 5 -C 8 component) hydrocarbon low molecular weight that do not qualify for measurement (e.g., C 4 component) is thermally decomposed. In FIG.
C when normal gasoline is changed from normal temperature to 350 ° C
4 -C 8 shows a characteristic of a component change of. As is apparent from FIG. 5, above approximately 180 ° C., particularly the C 7 to C 8 components are thermally decomposed, and thus have not been conventionally measured.
It can be seen that C 4 components has increased significantly.
なお、50℃と250℃の混合気を四重極質量検出器9で
実際に分析したときのマススペクトルを、夫々第6図と
第7図とに示す。第6図と第7図とから、250℃では、
分解成分のイオン種(電荷比m/e=41)等が検出される
一方、燃料の代表的イオン種(電荷比m/e=91,105)が
減少している。また、電荷比m/e=28と電荷比m/e=32の
マスフラグメントは、夫々吸入空気による窒素イオンと
酸素イオンとをあらわしている。6 and 7 show mass spectra obtained by actually analyzing a gas mixture at 50 ° C. and 250 ° C. with the quadrupole mass detector 9. From FIG. 6 and FIG. 7, at 250 ° C.,
While the ion species of the decomposition component (charge ratio m / e = 41) and the like are detected, the representative ion species of the fuel (charge ratio m / e = 91,105) decreases. The mass fragments having a charge ratio m / e = 28 and a charge ratio m / e = 32 respectively represent nitrogen ions and oxygen ions due to the intake air.
しかし、全炭化水素中のある種の成分が熱分解して
も、炭化水素の種類が変わるだけで、全炭化水素量(質
量)は変化しない。したがって、代表的成分量と全炭化
水素量の比(相関関係)が、分解前の燃料の代表的成分
量と前炭化水素量の比より小さくなる。However, even if a certain component in the total hydrocarbon is thermally decomposed, only the type of the hydrocarbon changes, but the total hydrocarbon amount (mass) does not change. Therefore, the ratio (correlation) between the representative component amount and the total hydrocarbon amount becomes smaller than the ratio between the representative component amount of the fuel before cracking and the preceding hydrocarbon amount.
このため、従来の算出方法では熱分解により減少した
代表的成分量に相当する分だけ、全炭化水素量を低く算
出することになり、これに基づいて算出される空燃比
(A/F)が実際よりリーン側にずれる。For this reason, in the conventional calculation method, the total hydrocarbon amount is calculated to be lower by an amount corresponding to the representative component amount reduced by the thermal decomposition, and the air-fuel ratio (A / F) calculated based on this is reduced. It shifts to leaner than it really is.
このような事実に着目して、第2実施例では、空燃比
検出装置FA(四重極質量検出器9)で、従来の代表的成
分(例えば、C5〜C8成分)のイオン種(例えば、電荷比
m/e=56,78,91,105)に加えて、これらの分解成分(例
えば、C4成分)のイオン種(例えば、電荷比m/e=41)
についてもイオン強度を検出し、これらの成分量(例え
ば、C4〜C8成分)と全炭化水素量との相関関係に基づい
て全炭化水素量を算出するようにしている。なお、空気
量は窒素(電荷比m/e=28)あるいは酸素(電荷比m/e=
32)のイオン強度を検出することによって算出され、上
記全炭化水素量と空気量とから空燃比(A/F)が算出さ
れる。Such Focusing on the fact, in the second embodiment, in the air-fuel ratio detecting device FA (quadrupole mass detector 9), conventional representative components (e.g., C 5 -C 8 component) ionic species ( For example, the charge ratio
In addition to the m / e = 56,78,91,105), these cracking components (e.g., ion species of C 4 component) (e.g., charge ratio m / e = 41)
As for, the ionic strength is detected, and the total hydrocarbon amount is calculated based on the correlation between the amounts of these components (for example, C 4 to C 8 components) and the total hydrocarbon amount. The amount of air is nitrogen (charge ratio m / e = 28) or oxygen (charge ratio m / e =
The air-fuel ratio (A / F) is calculated by detecting the ionic strength in 32), and from the total hydrocarbon amount and the air amount.
第8図に示すように、第2実施例による、分解成分を
含めた検出方法(直線H1)では燃焼室温度にかかわりな
く全炭化水素量を100%検出できているが、代表的成分
のみを対象とする従来の検出方法(曲線H2)では、燃焼
室温度の上昇とともに全炭化水素量の検出率が低下す
る。このため、従来の検出方法では、350℃で空燃比(A
/F)の検出値が18.3(実際はA/F=14.7)とリーン側に
ずれている。As shown in FIG. 8, in the detection method including the decomposition component (straight line H 1 ) according to the second embodiment, 100% of the total hydrocarbon amount can be detected regardless of the combustion chamber temperature. In the conventional detection method (curve H 2 ), the detection rate of the total hydrocarbon amount decreases as the combustion chamber temperature increases. Therefore, with the conventional detection method, the air-fuel ratio (A
/ F) is 18.3 (actually A / F = 14.7), which is shifted to the lean side.
第1図は、本発明の第1実施例を示す、エンジンと燃焼
ガス分析装置のシステム構成図である。 第2図は、第1図に示す燃焼ガス分析装置による燃焼ガ
スの分析方法を示すフローチャートである。 第3図は、第1実施例における、イオン強度比の燃焼室
内圧力に対する特性を示す図である。 第4図は、本発明の第2実施例を示す、空燃比検出装置
のシステム構成図である。 第5図は、混合気中の炭化水素成分の燃焼室内温度によ
る変化の特性を示す図である。 第6図と第7図とは、夫々50℃と250℃とにおける、混
合気のマススペクトルの例を示す図である。 第8図は、第2実施例の炭化水素検出方法による全炭化
水素量検出率と従来の検出方法による全炭化水素量検出
率の燃焼室温度に対する特性を示す図である。 第9図は、四重極質量検出器を備えた従来の空燃比測定
用のガス分析装置のシステム構成図である。 第10図は、第9図に示すガス分析装置のコンバータの酸
化触媒の炭化水素酸化率のガス温度に対する特性を示す
図である。 CE……エンジン、GA……燃焼ガス分析装置、FA……空燃
比検出装置、4……燃焼室、9……四重極質量検出器、
11……燃焼ガス抽出通路、12……電磁開閉弁、13……第
1真空ポンプ、14……第1減圧室、15……ターボ分子ポ
ンプ、16……第2真空ポンプ、17……第2減圧室、24…
…制御用コンピュータ。FIG. 1 is a system configuration diagram of an engine and a combustion gas analyzer according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a combustion gas analysis method by the combustion gas analyzer shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing characteristics of the ion intensity ratio with respect to the pressure in the combustion chamber in the first embodiment. FIG. 4 is a system configuration diagram of an air-fuel ratio detection device showing a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is a graph showing characteristics of a change in a hydrocarbon component in an air-fuel mixture depending on a temperature in a combustion chamber. FIG. 6 and FIG. 7 are diagrams showing examples of mass spectra of the air-fuel mixture at 50 ° C. and 250 ° C., respectively. FIG. 8 is a diagram showing characteristics of the total hydrocarbon amount detection rate by the hydrocarbon detection method of the second embodiment and the total hydrocarbon amount detection rate by the conventional detection method with respect to the combustion chamber temperature. FIG. 9 is a system configuration diagram of a conventional gas analyzer for measuring an air-fuel ratio provided with a quadrupole mass detector. FIG. 10 is a graph showing the characteristics of the oxidation rate of hydrocarbons of the oxidation catalyst of the converter of the gas analyzer shown in FIG. 9 with respect to gas temperature. CE ... engine, GA ... combustion gas analyzer, FA ... air-fuel ratio detector, 4 ... combustion chamber, 9 ... quadrupole mass detector,
11: combustion gas extraction passage, 12: solenoid on-off valve, 13: first vacuum pump, 14: first decompression chamber, 15: turbo molecular pump, 16: second vacuum pump, 17 ... 2 decompression chambers, 24 ...
... Control computer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/62 - 27/70 H01J 49/00 - 49/48──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 27/62-27/70 H01J 49/00-49/48
Claims (1)
ガス抽出通路と、該燃焼ガス抽出通路に接続されるとと
もに真空排気手段によって高真空に減圧される減圧室
と、該減圧室に臨んで配置される質量検出器とを設け、
燃焼ガスを燃焼ガス抽出通路を通して減圧室に導入し、
質量検出器で減圧室に導入された燃焼ガスの一部をイオ
ン化するとともにその中の目的成分のイオン強度を検出
し、このイオン強度に基づいて目的成分量を求めるよう
にしたエンジンの燃焼ガス分析方法において、 あらかじめ目的成分量が既知である標準ガスに対して、
目的成分のイオン強度と不活性ガス成分のイオン強度と
を検出し、これらの両イオン強度から基準イオン強度比
を求め、この基準イオン強度比と目的成分量との対応関
係を求め、次に実際の燃焼ガスに対して、目的成分のイ
オン強度と不活性ガス成分のイオン強度とを検出し、こ
れらの両イオン強度からイオン強度比を求め、このイオ
ン強度比と上記対応関係とから燃焼ガス中の目的成分量
を演算して求めるようにしたことを特徴とするエンジン
の燃焼ガス分析方法。1. A combustion gas extraction passage for extracting combustion gas from an engine, a decompression chamber connected to the combustion gas extraction passage and decompressed to a high vacuum by a vacuum exhaust means, and facing the decompression chamber. And a mass detector to be arranged,
The combustion gas is introduced into the decompression chamber through the combustion gas extraction passage,
Engine combustion gas analysis in which a part of the combustion gas introduced into the decompression chamber is ionized by the mass detector, the ionic strength of the target component in the chamber is detected, and the amount of the target component is determined based on the ionic strength. The method comprises the steps of:
Detect the ionic strength of the target component and the ionic strength of the inert gas component, determine the reference ion intensity ratio from both of these ion intensities, determine the correspondence between the reference ion intensity ratio and the target component amount, and then The ionic strength of the target component and the ionic strength of the inert gas component are detected for the combustion gas, and the ionic strength ratio is calculated from both ionic strengths. A combustion gas analysis method for an engine, wherein the target component amount is calculated and obtained.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1162146A JP2859892B2 (en) | 1989-06-23 | 1989-06-23 | Engine combustion gas analysis method |
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Publications (2)
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|---|---|
| JPH0326957A JPH0326957A (en) | 1991-02-05 |
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