(57)【要約】【課題】  簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、複数気筒であっても内燃機関の筒内圧に関連する情報を精度良く取得することができる筒内圧センサを提供する。【解決手段】  本発明に係る内燃機関の筒内圧センサは、内燃機関の筒内圧力に関連する情報を取得する内燃機関の筒内圧センサであって、光ファイバ１０のコア１２に格子間隔に応じた特定波長の光を反射するブラッグ格子部１３が設けられたＦＢＧ光ファイバセンサ１の当該ブラッグ格子部１３を内燃機関の気筒付近に配設すると共に、前記ブラッグ格子部１３において反射された特定波長の光の波長変化に基づいて筒内圧力に関連する情報を取得することを特徴とする。【選択図】図２
2011185805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の筒内圧力に関連する情報を取得する内燃機関の筒内圧センサであって、
光ファイバのコアに格子間隔に応じた特定波長の光を反射するブラッグ格子部が設けられたＦＢＧ光ファイバセンサの当該ブラッグ格子部を、内燃機関の気筒付近に配設すると共に、
前記ブラッグ格子部において反射された特定波長の光の波長変化に基づいて筒内圧力に関連する情報を取得することを特徴とする内燃機関の筒内圧センサ。
【請求項２】
前記ＦＢＧ光ファイバセンサには、格子間隔の異なる複数のブラッグ格子部が直列的に設けられ、ブラッグ格子部のそれぞれが、対応する内燃機関の気筒付近に配設されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の筒内圧センサ。
【請求項３】
前記ＦＢＧ光ファイバセンサの光ファイバは、シリンダヘッドガスケットに配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の筒内圧センサ。
【請求項４】
前記ＦＢＧ光ファイバセンサの光ファイバは、作用する面圧が所定以下の部位に沿って這わされることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の筒内圧センサ。
【請求項５】
内燃機関の予混合圧縮着火燃焼における予混合過程から筒内圧力に関連する情報を取得することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の内燃機関の筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のシリンダ内（気筒内）の圧力（筒内圧力）に関連する情報を取得する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、例えば、ディーゼル燃焼機関に関しては、通常トレードオフの関係にあって後処理などの手段を講じなければ同時低減は難しいとされる、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量と、ＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質＝主に黒煙（スス）、ＳＯＦと称される燃え残った燃料や潤滑油の成分、サルフェートと称される軽油燃料中の硫黄分から生成される成分を含む）の排出量と、を同時に低減できる燃焼方式として、予混合圧縮着火燃焼への期待が高まっている。
【０００３】
予混合圧縮着火燃焼は、シリンダ内に燃料を直接噴射供給する直接噴射式燃焼機関において、圧縮上死点付近における主燃焼より前に（例えば吸気行程から）、比較的少量の燃料を１回或いは複数回に分けてシリンダ内に噴射供給して、シリンダ内における空気と燃料を予混合することで、主燃焼を空気と燃料とが十分に混合された希薄混合気の燃焼として燃焼温度の低減を図ってＮＯｘ排出量の低減を図ると同時に、空気と燃料の十分な混合により燃料過濃部分の発生を低減してＰＭ排出量の低減を図るといった燃焼方式である。
【０００４】
上述した予混合の状態が、主燃焼延いてはエンジンの出力性能、排気性能、燃費性能などに与える影響が大きいため、予混合の状態を含めて燃焼状態をきめ細かく制御することが求められるが、このような予混合の状態を含めた燃焼状態は、例えば所定クランク回転角度毎のシンリンダ内（筒内或いは燃焼室内とも称する）の圧力情報に基づいて知ることができる。
【０００５】
ここにおいて、例えば、ガソリン機関では、ノックセンサ（Ｇセンサ）を用いて燃焼状態を把握することが行われているが、ノッキングという比較的大きな衝撃を検出するためのノックセンサでは、既述したような予混合の状態（例えば、少量の燃料が予混合過程で燃焼してしまうような状態）を把握するには、検出精度の面において難がある。
【０００６】
また、ガソリン機関に限らずディーゼル機関を含む内燃機関において、例えば、シリンダヘッド等を貫通して燃焼室に連通する連通路を設け、当該連通路に例えばピエゾ式の圧力センサを配設することで、所定クランク回転角度毎の筒内圧（内燃焼圧）情報を取得し、その結果に基づいて、例えば燃料噴射特性などを制御して燃焼状態を所望に制御するようなことも行われている。
【０００７】
しかしながら、ピエゾ式の筒内圧センサは検出精度は期待できるが、高価である。また、ピエゾ式の筒内圧センサはサイズが比較的大きい。これに対して、シリンダヘッドは、吸気・排気バルブ及びその駆動機構、吸・排気ポート、更にはウォータージャケットやオイル通路などが比較的狭いスペースに複雑に入り組んで配設された構造であり、かつ繰り返し付与される高圧な燃焼圧に耐えなければならないもので高い強度が要求されるものであることから、ピエゾ式の圧力センサの取り付け場所などに制限が多く、簡単に採用することができないといった実情がある。特に、気筒間の燃焼バラツキ等を取得したい場合などにおいては益々その採用は難しいものとなる。
【０００８】
このようなことから、比較的検出精度が高く安価で小さいサイズの扱い易い筒内圧センサが求められるが、例えば、特許文献１には、光ファイバ筒内圧センサが記載されている。
【０００９】
このものは、例えばガスケットに燃焼室に臨む内圧導入口を設けると共に、これに連通する溝を刻設し、当該溝に、初期曲げを与えられた光ファイバを収容支持し、燃焼室内の圧力変化に応じて光ファイバが曲げ変形する際の当該光ファイバを通過する光量変化を検出することにより、燃焼室内の圧力を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０７−３０６１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１に記載の光ファイバ筒内圧センサは、光ファイバが直接的に燃焼ガス（筒内圧）を受けるように燃焼ガスに臨んで配設すると共に、ガスケットに光ファイバ筒内圧センサのセンシング部へ燃焼ガスを導く溝やセンシング部を収容する比較的大きな溝を設ける必要があるため、直接燃焼ガスに晒される光ファイバ及び溝の耐久性の問題やガス漏れなどのおそれ、更には構成や加工などが複雑化するといった実情がある。
【００１２】
また、例えば、気筒間における筒内圧（燃焼）バラツキを検出し、その結果に基づいて各気筒の燃焼状態を制御するような場合には、各気筒に光ファイバを設け、対応する光ファイバ毎に光を入射させ、かつ対応する光ファイバ毎に光量変化を検出することが必要となるため、分光したり集光する光学系が必要となるなどシステムが複雑化して高コスト化するといった実情がある。
【００１３】
なお、システムの簡略化のために、例えば、一本の光ファイバを各気筒に這わせて共通の筒内圧測定システムを用いて全気筒の筒内圧を検出することも考えられるが、かかる場合には、例えば直列６気筒エンジン（４サイクル）の場合、７２０°（ｄｅｇｒｅｅ）／６ｃｙｌ（７２０°で各気筒１回づつ合計６回爆発する）であるから、各気筒の筒内圧検出に割り当て可能なクランク回転角度区間（範囲）は１２０°ということになる。
【００１４】
すなわち、図４に示すように、６気筒エンジンの場合、一気筒当りの筒内圧検出に割り当てることができるクランク回転角度区間としては、主燃焼部分を含める必要があるから、概略、圧縮下死点（ＴＤＣ−６０°）から圧縮上死点（ＴＤＣ＝０°）を通過して膨張下死点（ＴＤＣ＋６０°）までの区間とされる。なお、通常燃焼（予混合を行わない主燃焼だけの燃焼）の場合、燃料の噴射時期は早くても圧縮上死点前２０°程度で、燃焼は膨張下死点までには終えるから、このような区間であっても足りるものと想定される。
【００１５】
しかし、予混合圧縮着火燃焼が行われる場合には、予混合が行われる吸気行程から筒内圧力を観察して、例えば予混合過程で異常着火しないように管理しながら主燃焼をも制御するなどの必要があるため、少なくとも圧縮上死点前９０°〜１００°（ＴＤＣ−９０°から−１００°）程度から膨張下死点（膨張行程終了）程度までの広範囲に亘って、精度良く筒内圧を測定できることが求められる。
【００１６】
従って、特許文献１に記載された光ファイバ筒内圧センサにおいて一本の光ファイバによって全気筒の筒内圧を測定しようとする場合には一気筒当たりの測定区間を長く取ることができないため、予混合圧縮着火燃焼が行われる場合に各気筒毎に予混合の状態を含めて燃焼状態（筒内圧状態）を正確に測定することができない。
【００１７】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、複数気筒であっても内燃機関の筒内圧力（シリンダ内圧力）に関連する情報を精度良く取得することができる筒内圧センサ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】
【００１８】
このため、本発明に係る内燃機関の筒内圧センサは、
内燃機関の筒内圧力に関連する情報を取得する内燃機関の筒内圧センサであって、
光ファイバのコアに格子間隔に応じた特定波長の光を反射するブラッグ格子部が設けられたＦＢＧ光ファイバセンサの当該ブラッグ格子部を、内燃機関の気筒付近に配設すると共に、
前記ブラッグ格子部において反射された特定波長の光の波長変化に基づいて筒内圧力に関連する情報を取得することを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記ＦＢＧ光ファイバセンサには、格子間隔の異なる複数のブラッグ格子部が直列的に設けられ、ブラッグ格子部のそれぞれが、対応する内燃機関の気筒付近に配設されることを特徴とすることができる。
【００２０】
本発明において、前記ＦＢＧ光ファイバセンサの光ファイバは、シリンダヘッドガスケットに配設されることを特徴とすることができる。
【００２１】
本発明において、前記シリンダヘッドガスケットに配設されるＦＢＧ光ファイバセンサの光ファイバは、作用する面圧が所定以下の部位に沿って這わされることを特徴とすることができる。
【００２２】
本発明に係る内燃機関の筒内圧センサは、内燃機関の予混合圧縮着火燃焼における予混合過程から筒内圧力に関連する情報を取得することを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、比較的簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、複数気筒であっても内燃機関の筒内圧力（シリンダ内圧力）に関連する情報を精度良く取得することができる筒内圧センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施の形態に係るＦＢＧ光ファイバセンサの構成を概略的に示した図である。
【図２】同上実施の形態に係るＦＢＧ光ファイバセンサを用いた筒内圧測定システムの構成例を示すブロック図である。
【図３】同上実施の形態に係る筒内圧測定システムにより取得されるＦＢＧ反射光スペクトルの一例（約波長１５５０ｎｍの例）を示す図である。
【図４】クランク回転角度に対する各気筒の筒内圧変化の様子を示す図である。
【図５】同上実施の形態に係るＦＢＧ光ファイバセンサをヘッドガスケットに這わせる場合の這わせ方の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００２６】
本発明者等は、予混合圧縮着火燃焼において、予混合が行われる吸気行程から主燃焼を経て膨張下死点（膨張行程終了）程度までの比較的長いクランク回転角度区間、複数気筒の筒内圧力（直接的な筒内圧力に限らず、ひずみその他の筒内圧力に関連する情報でも良い。以下、筒内圧とも称する。）を精度良く測定することができ、簡単かつ安価でコンパクトな構成で扱い易く実用的な筒内圧センサについて種々の検討、研究や実験等を重ねた結果、光ファイバを用いたセンサの一つであるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）光ファイバセンサの採用が好適であるという新たな知見を得た。
【００２７】
ＦＢＧ光ファイバセンサ１は、図１に示すように、光ファイバ１０の光ファイバクラッド１１に沿って設けられる光ファイバコア１２内に、ブラッグ格子（Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）部１３が設けられている。
【００２８】
ＦＢＧ光ファイバセンサ１は、光ファイバコア１２に入射された光のうち、ブラッグ格子部１３においてその格子間隔Ａに応じた特定波長の光のみが反射されるという特性を利用したセンサで、ブラッグ格子部１３の格子間隔Ａが応力等によるひずみ等によって変化すると、この格子間隔Ａの変化（伸縮）に伴って反射光の波長が変化することになるため、当該反射光の波長変化をスペクトラムアナライザなどにより解析することで、ブラッグ格子部１３における格子間隔変化、すなわちブラッグ格子部１３を取り付けた部位のひずみ（応力）等の大きさを検出することができる。
このような、ＦＢＧ光ファイバセンサの一例が、例えば、特開２００８−１３９１７１号公報に記載されている。
【００２９】
本実施の形態では、かかるＦＢＧ光ファイバセンサ１の特性に着目し、ＦＢＧ光ファイバセンサ１のブラッグ格子部１３を内燃機関の燃焼室近傍に配設し（例えば図５を参照）、燃焼室内の圧力変化（筒内圧変化）に応じたひずみをブラッグ格子部１３に与えることで、精度良く筒内圧を測定するようにしたものである。
【００３０】
なお、ＦＢＧ光ファイバセンサ１を構成する光ファイバ１０の外径は、例えばφ０．２１ｍｍ程度であり、従来のピエゾ式の筒内圧センサなどのセンサに比べて極めて小径であるため、配設場所などに関する自由度が高く、また配設のための加工なども容易であり、既存の内燃機関に対して大きな設計変更等が必要ないため有益である。また、シリンダヘッドなどの高応力が作用する構造物の耐久性等への悪影響も少なく有益である。
【００３１】
ここで、本実施の形態に係るＦＢＧ光ファイバセンサ１においては、図２に示すように、一本の光ファイバ１０に複数のブラッグ格子部１３が直列的に設けられていて、各ブラッグ格子部１３は、それぞれ対応する内燃機関の各気筒の燃焼室付近に配設されるようになっている（例えば図５を参照）。図２では、簡単のために、ブラッグ格子部１３が直列的に４つ接続された場合（例えば４気筒分）を例示しているが、それ以外の気筒数とすることができるし、例えば、内燃機関の気筒数分に限らず、一の気筒に複数のブラッグ格子部１３を配設するようなことも可能である。
【００３２】
すなわち、本実施の形態に係る筒内圧測定システム２０では、図２に示したように、一本の光ファイバ１０に格子間隔Ａを異ならせた複数のブラッグ格子部１３（ＦＢＧセンサ列）を設け、これらをそれぞれ対応する気筒の燃焼室近傍に配設する（図５参照）。そして、各気筒（格子間隔）に対応した波長を含む光（例えばλＢ１〜λＢｎの多波長の光）を、光源２１から出射する。
【００３３】
光源２１から出射された光は、光サーキュレータ２２を介して、ＦＢＧセンサ列（複数のブラッグ格子部１３）側へ進行され、各ブラッグ格子部１３において波長に応じた光が反射されるが、反射された反射光は光サーキュレータ２２を介して計測器２３（スペクトラムアナライザなど）へ導かれるようになっている。
【００３４】
計測器２３では、入力される反射光に対してパワースペクトル解析などの解析処理を行い、波長毎（気筒毎）の筒内圧変化をクランク回転角度に対応させて取得する。すなわち、図３に示すようなＦＢＧ反射光スペクトルを波長毎（気筒毎）に、クランク回転角度に対応させて取得することができるようになっている。
【００３５】
なお、クランク回転角度の計測は、図示しない内燃機関に配設されるクランク回転角度センサによって行われ、クランク回転角度センサにより取得されるクランク回転角度信号に対応付けられた筒内圧情報により、図４に例示したようなクランク回転角度に対する筒内圧の変化の様子を取得できることになる。
【００３６】
このように、本実施の形態では、一本の光ファイバ１０に格子間隔の異なるブラッグ格子部１３を複数設ける構成として、内燃機関の各気筒の燃焼室付近にそれぞれ格子間隔の異なるブラッグ格子部１３を配設し、格子間隔の異なるブラッグ格子部１３によりそれぞれ異なる波長の光を反射させ、その異なる波長の反射光を観察することにより、対応する気筒の筒内圧情報を取得するようにしたので、簡単かつ安価でコンパクトな構成としながら、複数気筒であっても測定区間を制限されることなく筒内圧を精度良く測定することができる。
【００３７】
本実施の形態では、取得される筒内圧情報と、測定対象である気筒と、を波長によって関連付けて特定可能であるから、メモリ容量等が許される限り全てのクランク回転角度における複数気筒の各気筒の筒内圧を取得することができるため、予混合圧縮着火燃焼を行う場合でも、予混合が行われる吸気行程から主燃焼を経て膨張行程が終了するクランク回転角度区間（ＴＤＣ  −９０°〜１００°）から膨張下死点（膨張行程終了）まで、複数気筒であっても気筒を特定しつつ精度良く筒内圧を測定することができる。
【００３８】
従って、予混合過程から筒内圧力を観察して、例えば予混合過程で異常着火しないように、予混合のための燃料の噴射タイミング、噴射量、噴射率、更には実圧縮比（例えば可変バルブタイミング・リフト機構等を介して吸気弁や排気弁の開閉タイミングやリフト特性を制御することで実圧縮比を制御できる）をフィードバック制御して、予混合状態及び主燃焼を含めた燃焼過程全体を気筒毎に良好に制御することなどが可能となる。
【００３９】
このため、気筒間において吸気特性や噴射特性などのバラツキがあって予混合の状態にもバラツキが生じ、例えば特定気筒が予混合過程で異常着火するが他の気筒にはまだ余裕があるような場合、従来のように各気筒の筒内圧情報を取得できない状況では、どの気筒が異常着火しているのかを特定することができないため、異常着火を抑制するために全気筒に対して予混合を停止したり予混合の燃料噴射量を低下せざるを得なかったため十分にＮＯｘ排出量とＰＭ排出量とを低減させることができなかったが、全気筒の筒内圧情報を取得できる本実施の形態によれば、予混合過程で異常着火している気筒を特定できるため、特定気筒に対して異常着火を抑制する制御を実行し、余裕のある気筒に対してはそれぞれ最適に予混合状態を作り出すような制御を実行することができる。
【００４０】
従って、本実施の形態によれば、全気筒において予混合圧縮着火燃焼の最適化を図ることができるため、予混合圧縮着火燃焼によるＮＯｘ排出量低減効果とＰＭ排出量低減効果を最大限発揮させることなどが可能となる。
【００４１】
また、本実施の形態では、一本の光ファイバ１０に格子間隔の異なるブラッグ格子部１３を複数設ける構成であるから、全気筒の筒内圧を測定する場合でも、レイアウトや配設のための処理が容易であり、例えば測定光を気筒毎に分光するような光学系を不要としつつ光源２１や光サーキュレータ２２等を共通化でき、またカプラ等の接続要素も少なく抑えることができるため、取り扱いも容易であり低コスト化も図ることができる。
【００４２】
なお、ＦＢＧ光ファイバセンサ１を構成する光ファイバ１０の外径は、例えばφ０．２１ｍｍ程度で極細であるから、図５に示すようなシリンダヘッドガスケット３０への取り付けが容易である。また、極細であるため、筒内圧の測定結果に他の気筒の筒内圧の影響を受け難い部位、すなわち測定対象の気筒近傍までブラッグ格子部１３を接近させることが可能であり、精度の高い筒内圧の測定が可能である。シリンダヘッドガスケット３０は、燃焼ガスのシール等のために、シリンダブロックとシリンダヘッドの間に介装されるガスケットである。
【００４３】
また、光ファイバ１０の損傷等や測定結果への悪影響を避けるために、面圧の高い部位への取り付けは避けることが望ましく、例えばガスシール部３１などの面圧の高い部位を跨いで取り付けたり、ヘッドボルト近傍への取り付けは避けることが望ましい。水穴周りや、油穴周りもシール面圧が作用しているため、このような部位への取り付けはなるべく避けることが望ましい。すなわち、光ファイバ１０は、作用する面圧が所定以下の部位に沿って這わされることが望ましい。
【００４４】
このようなことから、本実施の形態に係る光ファイバ１０は、例えば、図５に示したようにガスケット３１に対して這わせることができる。この際、例えば、図５の下図で一例を示したように、重ね合わされる金属プレート間の隙間に光ファイバを配設することができる。また、例えば、ガスケット３１の表面（或いは裏面）に貼着することも可能であるが、例えば保護テープなどで覆うことができるし、或いは溝の中に収容させる構成とすることもできる。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態に係るＦＢＧ光ファイバセンサ１によれば、比較的簡単かつ安価でコンパクトな構成でありながら、複数気筒であっても内燃機関の筒内圧（シリンダ内圧、燃焼圧）を精度良く測定することができる。
【００４６】
本実施の形態では、ＦＢＧ光ファイバセンサを用いて複数気筒の筒内圧を測定する場合を主に説明したが、これに限定されるものではなく、一気筒のみの筒内圧を測定する場合にもＦＢＧ光ファイバセンサを適用することも可能である。
【００４７】
また、本実施の形態では、ＦＢＧ光ファイバセンサをヘッドガスケットに取り付ける場合を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の部位に取り付けて筒内圧を測定する場合にも適用可能である。
【００４８】
なお、ＦＢＧ光ファイバセンサの採用は、ディーゼル機関に限定されるものではなく、例えば、ガソリン機関その他の内燃機関にも採用可能であり、燃焼方式に拘わらず、あらゆる移動式・定置式の内燃機関に適用可能である。
【００４９】
本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１    ＦＢＧ光ファイバセンサ
１０  光ファイバ
１１  光ファイバクラッド
１２  光ファイバコア
１３  ブラッグ格子部
２０  筒内圧測定システム
２１  光源
２２  光サーキュレータ
２３  計測器（スペクトラムアナライザなど）
３０  シリンダヘッドガスケット
３１  ガスシール部
【図１】
2011185805.tif 000003
【図２】
2011185805.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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