(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
運転状態の内燃機関の燃焼室(５)内における燃焼過程を検出するための光電子測定装置(４)であって、評価ユニットに接続されるとともに燃焼室(５)に設けられた複数の光センサ(７)を備え、その際前記光センサ(７)の前記燃焼室側のセンサ端部(８)がほぼ平面を形成するように配置され、前記光センサ(７) 個々の受光角度領域（Ａ）が燃焼室(５)の少なくとも１つの予め定義されている測定セクタ（Ｍ）をできるだけ一様に検出するように前記光センサ(７)が方向付けられ前記光センサ(７)が、燃焼室(５)に入り込んだ円柱状の部品(６)に配置されているものにおいて、
前記センサ端部(８)には前記部品(６)の外周部(１４)のほぼ径方向を向く方向からの光ビームが入射するとともにさらに前記センサ端部(８)には前記部品(６)の縦中心軸(１６)の方向で間隔をあけた位置からの光ビームが入射するように、前記複数の光センサ（７）が配置され、かつ
前記各光センサ(７)が光ファイバ(１０)の束(１８)を備えており、前記センサ端部(８)から入射した光ビームを受け取る前記光ファイバ(１０)の端部(１０ａ)が複数列で前記部品(６)に関してほぼ円弧状又は接線状に列状に配置されており、前記各端部(１０ａ)の列が前記部品(６)の縦中心軸(１６)から異なる距離をあけて配置されていることを特徴とする光電子測定装置。
【請求項２】
前記各光センサ(７)がセンサ端部(８)の領域内に方向転換手段(１７)を有することを特徴とする請求項１に記載の光電子測定装置。
【請求項３】
前記方向転換手段(１７)がプリズムによって構成されることを特徴とする請求項２に記載の光電子測定装置。
【請求項４】
前記光ファイバ(１０)の端部が、前記方向転換手段(１７)として形成された光レンズの焦点面内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光電子測定装置。
【請求項５】
前記方向転換手段(１７)が光レンズとして形成されることを特徴とする請求項２に記載の光電子測定装置。
【請求項６】
前記方向転換手段(１７)が、光レンズとして形成された、燃焼室(５)に対する湾曲光学境界面(２１)を有することを特徴とする請求項５に記載の光電子測定装置。
【請求項７】
前記方向転換手段(１７)が、光レンズとして形成された湾曲方向転換面(２３)を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の光電子測定装置。
【請求項８】
前記部品(６)が点火プラグであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光電子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転状態の内燃機関の燃焼室内における燃焼過程を検出するための光電子測定装置であって、評価ユニットに接続されるとともに燃焼室に設けられた光センサを備え、その際前記燃焼室側のセンサ端部がほぼ平面を形成するように配置され、個々のセンサの受光角度領域が燃焼室の少なくとも１つの予め定義されている測定セクタをできるだけ一様に検出するようにセンサが方向付けられているものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン開発のため、燃焼過程の時系列的及び場所的経過に関する知識は非常に重要である。欧州特許公報０５９３４１３Ｂ１から知られている光電子測定装置では、センサは、内燃機関のシリンダヘッドシール内に配置されている。その際、このセンサは、燃焼過程の２次元イメージを生成するために、個々のセンサの受光角度領域がシリンダヘッドシールレベルに位置する燃焼室の領域をできるだけ一様にカバーするように、配置されている。評価装置は、個々のセンサの信号からシリンダヘッドシールレベルで定義された面領域の明度を計算してこれを２次元イメージに変換する計算ユニットを有している。この方法によって、エンジンつまり燃焼室の形状を変えることなしに測定が行われる。しかし、センサがシリンダヘッドシール内に組み込まれているので、エンジン毎に特有のセンサ付きシリンダヘッドシールが必要となる。他の欠点は、シリンダヘッドシールをセンサ付きシリンダヘッドシールに置き換えるために、シリンダヘッドを分解しなければならないことである。このことから、センサ付きシリンダヘッドシールによる光学的測定は比較的手間やコストがかかることになる。
【０００３】
米国特許公報４３９３６８７から、内燃機関のノッキングの際に生ずる振動を検出するセンサ構成が知られており、ここでは、燃焼室に少なくとも１個の光検出器、好ましくはグラスロッドやグラスファイバ製光伝搬ケーブルが使用されている。その際、光検出器は、点火プラグ内に一体化されて、前室に連結されるか、あるいはシリンダヘッドシール内に装着されている。
【０００４】
米国特許公報４４４６７２３及び４５０６１８６から、中心に配置された単一の光伝搬部材を備えた内燃機関用点火プラグが知られている。もちろん、これによって、例えばノッキングが生じたかどうかの確定のような簡単な測定は可能である。しかし、複雑な測定、例えば火炎の形成及び火炎の動きを観察するためには、単一の光伝搬部材を有する点火プラグでは十分でない。
【０００５】
オーストリア実用新案公報００２２２８Ｕ１から、燃焼室内に入り込んだ多くの光伝搬部材を有する点火プラグが知られており、これによって、ノッキング検出の他に、火炎拡散の観察のような複雑な測定も実施できる。その際、センサ端部は、点火プラグの燃焼室側の前面にリング状に配置されている。これにより、円柱状又は円錐状の測定領域内部の燃焼現象のみが観察可能である。しかし、燃焼室カバーと燃焼室周辺の領域における燃焼現象は、殆ど検知できない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記実状に鑑み、本発明の課題は、上記の欠点を回避するとともに製造コスト及び測定コストを減少するべく改善された、冒頭部で記載したタイプの光電子測定装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、運転状態の内燃機関の燃焼室内における燃焼過程を検出するための光電子測定装置であって、評価ユニットに接続されるとともに燃焼室に設けられた複数の光センサを備え、その際前記光センサの前記燃焼室側のセンサ端部がほぼ平面を形成するように配置され、前記光センサ個々の受光角度領域が燃焼室の少なくとも１つの予め定義されている測定セクタをできるだけ一様に検出するように前記光センサが方向付けられ前記光センサが、燃焼室に入り込んだ円柱状の部品に配置されているものにおいて、本発明では、前記センサ端部には前記部品の外周部のほぼ径方向を向く方向からの光ビームが入射するとともにさらに前記センサ端部には前記部品の縦中心軸の方向で間隔をあけた位置からの光ビームが入射するように、前記複数の光センサが配置され、かつ
前記各光センサ(７)が光ファイバ(１０)の束(１８)を備えており、前記センサ端部(８)から入射した光ビームを受け取る前記光ファイバ(１０)の端部(１０ａ)が複数列で前記部品(６)に関してほぼ円弧状又は接線状に列状に配置されており、前記各端部(１０ａ)の列が前記部品(６)の縦中心軸(１６)から異なる距離をあけて配置されている。
この構成では、前記部品の外周部のほぼ径方向を向く方向からの光ビームがセンサ端部に入射されることで前記部品の縦軸に垂直な平面が測定セクタとして光センサによってカバーされ、前記部品の縦中心軸の方向で間隔をあけた位置からの光ビームがセンサ端部に入射されることで前記部品の縦軸で間隔をあけた平面も測定セクタとして光センサによってカバーされる。したがって、本発明による光センサは、多数の測定セクタを作り出すことができる。
特に、上述した光ファイバの端部の配置によって、前記部品の外周部を取り囲む測定セクタをできるだけ完全にとらえることができる。さらに、空間解像度を向上させるためには、光ファイバの視角領域を制限することが、好都合である。これは、少なくとも１つの光ファイバの端部の領域内に絞り孔が配置されることによって可能である。しかし、この空間解像度の向上は、光ファイバのセルフフォーカスされた端面によっても達成することができる。
前述した光センサを有する部品は、シリンダヘッドの、燃焼室内に開口した何らかの機能を果たすための孔や単独のセンサ孔にねじ込まれている。この部品は点火プラグ又は噴射弁として構成されている。これには、燃焼室内に他の測定用孔を設ける必要がないという利点がある。その外周部は独自のセンサ部材として構成されている。
【０００８】
内燃機関の何らかの機能を果たす部品へ光センサを配置することによって、エンジンを改造する必要がなくなり、エンジンの運転領域（回転数と負荷）が制限されない。個々のセンサの信号は、エミッションストモグラフのための公知アルゴリズムによって、２次元イメージに変換され、その際イメージの解像度は実質的に用いられたセンサの数によってのみ決定する。本発明の好適な実施形態では、１つの前述した部品毎に８個の光センサが配置される。本発明による測定装置は、燃焼過程の十分に長い、時間的及び場所的な解像度をもった調査を可能にし、その際電子系では、標準コンポーネントを使用することができる。
【０００９】
各光センサがそのセンサ端部の領域内に方向転換手段を備えていると、特に好都合である。この場合、センサの光ファイバは、前記部品の縦軸に対して実質的に平行に方向転換手段へ延びている。この方向転換手段によって、光ファイバの視界領域は、径方向に約９０度向きを変えられるので、前記部品の外周部を取り囲む燃焼室領域を観察することができる。ここで、方向転換手段は、鏡として、あるいはプリズムとして、好ましくはサファイアプリズムとして構成され、光ファイバの下部端に取り付けることができる。製造上簡単な実施形態として、方向転換手段はリング状に形成されるとよい。
【００１１】
本発明の特に好適な実施形態では、多くの光をガラスファイバ内に導入するために、少なくとも１個の光ファイバの端部が、前記方向転換手段(１７)として形成された光レンズ（単にレンズと略称されてもよい）の焦点面内に配置される。その際、好ましくは列状の、例えば５本の光ファイバからなる列状の多くの光伝搬部材の端部もレンズの焦点面内に配置するとよい。光ファイバの端部の少なくても１列が、前述の部品に関してほぼ円弧状にか、又は接線状に配置されているならば、特にこの部品の周囲方向での空間解像度を高くすることができる。
【００１２】
方向転換手段がレンズとして構成される場合、分割したレンズを省略できる。しかし、方向転換手段に、レンズとして、好ましくは第１の円柱レンズとして形成された、燃焼室に対する湾曲光学境界面を設けることも可能である。この構成により、各光ファイバに所定の受光角度領域を対応させることができる。
【００１３】
本発明の特に好適な実施形態では、方向転換手段が、光レンズとして、好ましくは円柱形レンズとして形成された湾曲方向転換面を有する。これによって、前述の部品の縦軸方向へ重なり合う多数の測定セクタが作り出されるので、測定品質が相当改善される。方向転換手段がトーラス片として形成された方向転換面を備え、その際、好ましくは、方向転換手段はサファイアピンによって構成されるならば、多数の測定セクタが前述の部品の縦軸方向に実現できる。湾曲した方向転換面が湾曲光学境界面よりも多い曲率半径を有する場合、品質的に優れた測定結果が得られる。
【００１５】
光ビームは、湾曲した光学境界面を介して、方向転換手段内に入射し、第１の円柱レンズによりほぼ平行化され、湾曲方向転換面で反射される。第２の円柱レンズとして形成される方向転換面によって、多数の測定セクタからの光ビームもとらえられ、種々の反射角度でもって、接線方向及び径方向に、異なった列状で配置された光ファイバ端部へ伝搬される。
【００１６】
２次元イメージへの変換を実現するため、好ましくは部品内に配置された、多数の測定装置を燃焼室毎に備えることが、本発明の枠内で提案される。その際、好ましくは、各測定装置が、少なくとも４０の、周囲に一様に分布した監視ビームをもつようにする。この場合、個々の部品の測定セクタは部分的にオーバラップしたり、又は燃焼室の種々の領域、例えば種々の測定面をカバーすることができる。
【００１７】
本発明による測定装置は、燃焼を記録した光信号を評価することによって、ノッキングしている燃焼の開始場所の簡単な確定も可能である。ノッキングの場所探知のためには、シリンダ１台当たり１つの測定装置で十分である。ノッキング現象は、つまり、外部点火された燃料の、非制御の自己点火が衝撃波として説明されるが、強度分布及び拡散速度に従属する球形波の関数として数学的に記述可能なので、ノッキング燃焼の発生場所の簡単な逆算と評価が可能である。ウエーブフロントが燃焼室の測定セクタ内に入ったらすぐに、ノッキング現象の衝撃波が最初にセンサによって検出される。ウエーブフロントに関する光センサにより与えられた測定値から、衝撃波に関する数学モデルを使って、ウエーブフロントの発生場所まで逆算できる。
【００１８】
他の実施可能性として、圧力センサと組み合わせた光学電子測定装置を使用し、音波と光波との間の伝播時間の相違から圧力センサとノッキングポイントとの距離を求めて、光学測定との組み合わせで、ノッキング現象の発生場所を正確に決定することができる。
【００１９】
本発明によるその他の特徴及び利点は、以下図面を用いた実施例の説明により明らかになるだろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、往復移動するピストン２が配置されている内燃機関のシリンダ１の断面図である。シリンダ１はシリンダヘッド３によってカバーされ、このシリンダヘッド３に光電子測定装置４が燃焼室５内の燃焼過程を検出するために配置されている。この測定装置４は円柱状部品６内に設けられた多数の光センサ７を備え、そのセンサ７の端部８は燃焼室５と光学的に通じている。各光センサ７は、少なくとも１つの光ファイバ１０を有する光伝搬部材９を備えている。光伝搬部材９は、図５から判明するように、光ファイバ１０の集合束１８から構成してもよい。各光伝搬部材９は、光伝搬部材ケーブル１２との接続のためのカップリング１１のところまで延びている。
【００２１】
この実施例では点火プラグで構成されたほぼ円柱状の部品６は、燃焼室５に開口しているシリンダヘッド３の孔１３にねじ込まれている。各センサ７のセンサ端部８は部品６の外周面１４の領域に配置されているので、個々のセンサ７の受光角度領域Ａ又は個々の光ファイバ１０の受光角度領域ａが、燃焼室５の測定セクタＭをできるだけ一様にカバーしている。その際、測定セクタＭは、実質的に部品６の縦軸１６に垂直な平面１５上に配置されている。この実施形態では、測定装置４は合計４０の監視ビームを有することになる。シリンダ１台当たり１つの測定装置４を使用して、ノッキングの位置探知を行う。燃焼現象の２次元イメージを作り出すために、例えばそれぞれ４０のビームを有する測定装置４を、シリンダ１台当たり多数、例えば３つ必要となる。
【００２２】
センサ端部８の領域で、センサ７当たり１つの方向転換手段１７が部品６に配置されている。方向転換手段１７は光ファイバ１０の視界領域を、角度：α、ここでは約９０°の角度αだけ方向転換する。方向転換手段１７は、鏡やプリズム、好ましくはサファイアプリズムにより構成することができる。方向転換手段１７がリングとして構成され、部品６の外周部１４に固定されるならば、その製造が非常に簡単になる。方向転換手段１７は、径方向が入射してくる光ビームを部品６の縦軸１６に平行に配置されたセンサ７の光伝搬部材９に、半径方向に入り込む光線の方向転換を可能にする。
【００２３】
光ファイバ１０の空間解像度を高くするために、光ファイバ１０の視界角度領域を制限しなければならない。これは、光ファイバ端部と方向転換手段との間に配置された孔絞りによって行われる。しかし、空間解像度の向上は、光ファイバのセルフフォーカス端面によっても、達成できる。
【００２４】
光ファイバ１０がレンズの焦点面２０内で終端するならば、特に高い解像度が実現する。その際、多くの光ファイバ１０の端部１０  ａもレンズの焦点面２０の領域内に配置できる。例えば、光伝搬部材９の光ファイバ束１８の光ファイバ１０を、例えば５個のファイバからなる１本の列内に配置すれば、空間解像度を明らかに向上させることができる。
【００２５】
光ファイバ１０と方向転換手段１７との間の付加的なレンズの代わりに、方向転換手段１７自体をレンズとして構成することもできる。
【００２６】
図１を用いて説明した実施例では、測定セクタＭは平面１５内に位置している。方向転換角度αを９０°より大きいか、９０°より小さいかを選ぶことによって、測定セクタＭは、破線で示された傘状の円錐外周部面により形成され、これによっても、同様に、燃焼現象の空間検出が可能である。
【００２７】
図８〜１０は、ほぼ円柱状のサファイアピンにより形成された方向転換手段１７を示し、レンズとして構成されている。その際、燃焼室５に対する光学境界面２１は、半径ｒ１を有する第１の円柱レンズ２２として形成されている。
【００２８】
さらに、方向転換手段１７は湾曲方向転換面２３を備え、第２の円柱レンズ２４によって形成されている。光ファイバ１０の端部１０ａは列状に方向づけられ、その際、少なくとも３本の列２５、２６、２７は相互に平行で、部品６に関してほぼ接線の方向に配置されている。したがって、列２５、２６、２７の光ファイバ１０の端部１０ａは、部品６の縦中心軸１６に対し異なる距離を有している。第２の円柱レンズ２４として形成された湾曲方向転換面２３によって、部品６の縦軸１６の方向に測定領域の相当な拡大が達成されるのであり、その際、傘状に形成されるとともに上下方向に重なり合って配置された多数の測定セクタＭが生じることになる。端部１０ａが接線方向でも多数の列２８、２９、３０、３１、３２で並置されており、高い空間解像度が得られる。この場合、第１の円柱レンズ２２の半径ｒ１は、第２の円柱レンズの半径ｒ２より小さくなければならない。
【００２９】
図８〜１０による、サファイアピンとして形成された方向転換手段１７は、部品６内で周方向に均等に配分されている。
【００３０】
部品６の周囲に沿って配分された多数の方向転換手段１７の代わりに、サファイアピンにより構成された単独の方向転換手段１７を、図１１に示すように、部品６内の中心に配置することができる。その際、方向転換手段１７の方向転換面２３はトーラス部分として形成されるので、光ファイバ１０のリング状配置をもって、結果的に、重なり合って配置された傘状の多数の測定セクタＭが作り出されることになる。この場合、曲率半径ｒ１を有する光学境界面２１は、円柱状の方向転換手段１７の外周面３３により形成される。境界面２１の半径ｒ１は、方向転換面２３の半径ｒ２よりも小さい。
【００３１】
測定セクタＭ内での光ビーム３４は、湾曲した光学境界面２１を介して、方向転換手段１７に入射し、レンズとして作用する光学境界面２１により近似的に平行ビーム化され、湾曲方向転換面２３で反射される。方向転換面２３を通じて、多数の測定セクタＭからの光ビーム３４もとらえられ、そして、種々の反射角度をもって、円弧方向や接線方向及び径方向の種々の列に配置された光ファイバ１０の端部１０ａに伝搬される。
【００３２】
ノッキングを原因とする圧力波とこれに基づく光の強度変化が、測定セクタＭに達したらすぐに、多くのセンサ７が燃焼室５内の強度変化を時系列的に検出し、対応する測定値を、図示されていない評価ユニットに伝達する。個々の測定値の時系列変化に基づいて、評価ユニットによって、衝撃波を表す数学モデルを使用して、ウエーブフロントの出発点が計算される。その際、測定値は、データバンクに記憶されている疑似ウエーブフロントでクロス相関される。したがって、センサ７と必要な測定チャンネルの数は最小限にすることができる。図示された実施形態において、部品６内に、５個の光ファイバ１０をもつ各光ファイバ束１８を備えた８個のセンサ７が設けられている。
【００３３】
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光電子測定装置を備えた内燃機関のシリンダの断面図
【図２】図１の線ＩＩ−ＩＩに沿ったシリンダの断面図
【図３】本発明のによる光電子測定装置の斜視図
【図４】光センサを備えた点火プラグの斜視図
【図５】図４の線ＩＶ−ＩＶに沿った点火プラグの断面図
【図６】本発明による光電子測定装置の縦断面図
【図７】本発明による光電子測定装置の縦断面図
【図８】光電子測定装置の方向転換手段の拡大側面図
【図９】図８の矢印ＩＸ−ＩＸに沿った方向転換手段の説明図
【図１０】図８の矢印Ｘ−Ｘに沿った方向転換手段の説明図
【図１１】光電子測定装置の方向転換手段の変形例の縦断面図
【符号の説明】
４    光電子測定装置
５    燃焼室
６    部品（点火プラグ）
７    光センサ
８    センサ端部
１４  外周部
Ａ    受光角度領域
Ｍ    測定セクタ
【図１】
0003614359.tif 000002
【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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【図７】
0003614359.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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