JP2859892B2

JP2859892B2 - エンジンの燃焼ガス分析方法

Info

Publication number: JP2859892B2
Application number: JP1162146A
Authority: JP
Inventors: 多恵子本城; 郁子南
Original assignee: Matsuda KK
Current assignee: Matsuda KK
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1999-02-24
Anticipated expiration: 2014-02-24
Also published as: JPH0326957A

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。

［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。

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。

［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。

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。

［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。

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）。

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。

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。

［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。

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。

［実施例］以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】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。