(57)【要約】      （修正有）【課題】高回転型、高熱負荷のエンジンでも、運転状態で混合気濃度を検出することができるガス濃度センサを提供する。【解決手段】点火プラグ１０内に入射光ファイバ３５及び出射光ファイバ３６を平行に配設し、入射光ファイバ３５から出射された赤外光を鏡３９で反射し、その反射光を出射光ファイバ３６に入射し、その反射光の強度から混合気濃度を検出するにあたり、出射光ファイバ３６を入射光ファイバ３５より多くして反射光の回収量を増大し、Ｓ／Ｎを向上する。鏡３９は、プラグ電極と同じＳｉ−Ｃｒ合金製として耐熱性を高めると共に本体に溶接固着する。光ファイバを束ねて被覆する接着剤にはセラミックス系接着剤を用い、硬化後、接着剤ごと光ファイバの端面を研削する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記反射光を入射するための光導波路を前記所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに出射するための光導波路よりも多くしたことを特徴とするガス濃度センサ。
【請求項２】
二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記鏡をＮｉ−Ｃｒ合金製としたことを特徴とするガス濃度センサ。
【請求項３】
前記鏡を溶接により固着したことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度センサ。
【請求項４】
二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記二以上の光導波路をセラミックス系接着剤で被覆するように固着し、硬化後、セラミックス系接着剤ごと、光導波路の入出射端面を研削したことを特徴とするガス濃度センサ。
【請求項５】
前記二以上の光導波路を点火栓内に配設したことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度センサ。
【請求項６】
一つの燃焼室に対し、前記鏡が当該燃焼室内に突出するようにして前記請求項１乃至５の何れかのガス濃度センサを二以上配設し、当該燃焼室内の異なる部位の混合気濃度を検出することを特徴とするエンジン用混合気濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばエンジンの燃焼室内の混合気の濃度を検出するために用いられるガス濃度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インジェクタと呼ばれる燃料噴射装置が普及するにつれて、燃料を噴射するタイミングや噴射燃料量、つまり空燃比などの制御が容易になり、高出力化、低燃費化、排ガスのクリーン化などを促進することができるようになった。
しかしながら、燃焼室内の混合気の濃度、例えば濃度分布の状態をより正確に検出することができれば、更なる高出力化、低燃費化、排ガスのクリーン化などを達成することができる。このような要求に応えるべく、例えば赤外光等の所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに入射し、当該被検出ガスを通過した光を取り出し、その光の強度から被検出ガスの濃度を検出することが提案されている（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
更に、このガス濃度検出技術を用い、二本の光導波路、具体的には光ファイバを平行又は略平行に点火栓内に配設し、何れか一方の光ファイバから前記所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに出射し、当該点火栓に設けた鏡でその光を反射し、当該被検出ガスを通過した反射光を他方の光ファイバに入射し、その反射光の強度からエンジン燃焼室内の混合気の濃度を検出するガス濃度センサが考えられている。
【０００４】
【非特許文献１】
内燃機関シンポジウム、’００／９、冨田栄二他、「３．３９２μｍ赤外吸収方法用いたエンジンシリンダ内点火栓近傍炭化水素燃料濃度の計測」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のガス濃度センサは、実際のエンジン運転状態では、低・中負荷の状態でしか使用できないという実情がある。特に、モータサイクル用エンジンや競技用エンジンは、使用回転域が高く、熱負荷が大きいため、例えば鏡が溶損してしまうとか、光ファイバを被覆している接着剤が溶損してしまうなどの問題がある。また、前記所定の波長又は周波数の光は、混合気の特定の成分に吸収されるが、同時に拡散してしまうので、反射光の回収量が少なく、感度が低い、所謂Ｓ／Ｎが悪いという問題もある。
【０００６】
本発明は前記諸問題を解決すべく開発されたものであり、Ｓ／Ｎがよく、耐熱性に優れ、更に燃焼室内の混合気の濃度を正確に検出することができるガス濃度センサ及びエンジン用混合気濃度検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記諸問題を解決するため、本発明のうち請求項１に係るガス濃度センサは、二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記反射光を入射するための光導波路を前記所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに出射するための光導波路よりも多くしたことを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のうち請求項２に係るガス濃度センサは、二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記鏡をＮｉ−Ｃｒ合金製としたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明のうち請求項３に係るガス濃度センサは、前記請求項２の発明において、前記鏡を溶接により固着したことを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項４に係るガス濃度センサは、二以上の光導波路を平行又は略平行に配設し、所定の波長又は周波数の光を何れかの光導波路から被検出ガスに出射し、当該被検出ガス内を通り、鏡に反射したその反射光を異なる光導波路に入射し、その反射光の強度から被検出ガスの濃度を検出するためのガス濃度センサにおいて、前記二以上の光導波路をセラミックス系接着剤で被覆するように固着し、硬化後、セラミックス系接着剤ごと、光導波路の入出射端面を研削したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項５に係るガス濃度センサは、前記請求項１乃至４の発明において、前記二以上の光導波路を点火栓内に配設したことを特徴とするものである。
また、本発明のうち請求項６に係るエンジン用混合気濃度検出装置は、一つの燃焼室に対し、前記鏡が当該燃焼室内に突出するようにして前記請求項１乃至５の何れかのガス濃度センサを二以上配設し、当該燃焼室内の異なる部位の混合気濃度を検出することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、例えばモータサイクル用のエンジン及びその制御装置の一例を示す概略構成である。このエンジン１は、比較的小排気量の単気筒４サイクルエンジンであり、シリンダボディ２、クランクシャフト３、ピストン４、燃焼室５、吸気管６、吸気バルブ７、排気管８、排気バルブ９、点火プラグ（点火栓）１０、点火コイル１１を備えている。また、吸気管６内には、アクセル開度に応じて開閉されるスロットルバルブ１２が設けられ、このスロットルバルブ１２の下流側の吸気管６に、燃料噴射装置としてのインジェクタ１３が設けられている。このインジェクタ１３は、燃料タンク１９内に配設されているフィルタ１８、燃料ポンプ１７、圧力制御バルブ１６に接続されている。なお、図中の符号３０は例えば赤外光等の所定の波長又は周波数の光を創成するレーザ、符号３１は前記レーザ３０で創成された光を切り出すチョッパ（電子シャッタ）、符号３２は後述する反射光の強度を検出する光強度検出器、符号３３は光ファイバケーブルである。
【００１２】
前記エンジン１の運転状態は、エンジンコントロールユニット１５によって制御され、当該エンジンコントロールユニット１５は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置を備えて構成される。そして、このエンジンコントロールユニット１５の制御入力、つまりエンジン１の運転状態を検出する手段として、クランクシャフト３の回転角度、つまり位相を検出するためのクランク角度センサ２０、シリンダボディ２の温度又は冷却水温度、即ちエンジン本体の温度を検出する冷却水温度センサ２１、排気管８内の空燃比を検出する排気空燃比センサ２２、吸気管６内の吸気圧力を検出するための吸気圧力センサ２４、吸気管６内の温度、即ち吸気温度を検出する吸気温度センサ２５が設けられている。そして、前記エンジンコントロールユニット１５は、これらのセンサの検出信号を入力し、前記燃料ポンプ１７、圧力制御バルブ１６、インジェクタ１３、点火コイル１１に制御信号を出力する。
【００１３】
前記点火プラグ１０には、燃焼室５内の混合気の濃度を検出するためのガス濃度センサが組み込まれている。具体的には、図２に示すように、例えば点火プラグ１０の燃焼室５側を先端、逆側を後端としたとき、当該点火プラグ１０の中心部には、後端部から中心電極４１の先端部まで貫通孔５１が形成されており、この貫通孔５１に光ファイバロッド３４が挿入されてガス濃度センサが構成されている。なお、前記貫通孔５１の周囲には、円筒状の導電体５２が配設されており、この導電体５２を介して前記中心電極４１に電力を供給する。また、後述するように点火プラグ１０の先端部には鏡３９が配設されるため、通常の点火プラグと異なり、前記中心電極４１の側方に接地電極４２が配設されている。ちなみに、図中の符号２９はイグニッションケーブルである。
【００１４】
前記貫通孔５１の先端部には、光ファイバロッド３４を熱負荷から保護するための透明なサファイヤロッド４３が埋設されている。また、前記中心電極４１の側方には、点火プラグ１０の先端に向けて耐熱性のブラケット５３が立設され、その先端部に、前記中心電極４１、正確には前記サファイヤロッド４３から所定の間隔を開けて鏡３９が設けられている。この鏡３９及びブラケット５３は、従来、点火プラグの接地電極に使用されているＮｉ−Ｃｒ合金製であり、当然ながら十分な耐熱性を有する。鏡３９は、Ｎｉ−Ｃｒ合金製ブラケット５３の先端部に形成され、研削により十分な鏡面を得てから、点火プラグ１０本体に溶接により固着される。このように鏡３９（ブラケット５３）を溶接固着すると、例えばネジ止めなどに比して、熱伝達特性に優れる。また、Ｎｉ−Ｃｒ合金製の鏡３９は、爆発の高温に曝されても、殆ど曇らないし、勿論、溶損することもない。
【００１５】
一方、点火プラグ１０の後端部には、金属製の連結部材５４が取付けられており、この連結部材５４にも前記貫通孔５１が開口しており、その後端部には雌ネジが形成されている。前記光ファイバロッド３４は、この連結部材５４の後端部から挿入され、当該光ファイバロッド３４に形成されている雄ネジを前記連結部材５４の雌ネジに螺合して固定されている。この光ファイバロッド３４と前記サファイヤロッド４３との間には所定の空隙が形成されており、当該光ファイバロッド３４を燃焼室５の高温から保護するように構成されている。
【００１６】
前記光ファイバロッド３４の中心部先端にはレンズ５５が埋設されており、その後方に、複数本の光ファイバ３５、３６、即ち光導波路が平行又は略平行に配設されている。レンズ５５は、光ファイバ３５から出射される光の広がり角を調整して効率よくガス濃度検出部に導くためのものである。このレンズ５５を装着する代わりにサファイヤロッド４３の端面を架構してレンズ作用させてもよい。また、このほかにレンズのない構成にすることも可能である。レンズがないとやや効率が悪化するが、レーザ３０を高出力のものにするとか、光強度検出器３２を高感度のものにすることによって精度よくガス濃度を検出することが可能である。この構成では、点火栓内に組み込む部品点数が減少する分、小型化し易いという利点がある。
【００１７】
図３には、光ファイバロッド３４中に配設されている光ファイバ３５、３６の配置の一例を示す。この例では、四本の光ファイバが配設され、そのうちの一本が前記所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに入射するための入射光ファイバ３５、残りの三本が、前記鏡に反射した反射光を前記光強度検出器に出射する出射光ファイバ３６になる。前記入射光ファイバ３５から出射した所定の波長又は周波数の光は、前記空隙、サファイヤロッド４３を通り、被検出ガスを通過した後に鏡３９に反射し、更に被検出ガス、サファイヤロッド４３、空隙の順に通過して出射光ファイバ３６に入射する。前述のように、所定の波長又は周波数の光、例えば赤外光は被検出ガスである混合気の炭化水素に吸収されるので、反射光の強度を検出すれば混合気の炭化水素量、即ち濃度が分かる。しかしながら、この濃度検出用の光は、混合気に吸収されると共に、混合気中に拡散もしてしまうので、反射光の回収量が少ないという問題がある。そこで、本実施形態では、四本の光ファイバのうちの一本を入射光ファイバ３５、残りの三本を出射光ファイバ３６とし、反射光の回収量を増大して、濃度検出感度を向上し、所謂Ｓ／Ｎを良好なものとする。
【００１８】
なお、入射光ファイバ３５、出射光ファイバ３６のレイアウトは、これ以外にも、例えば図４〜図６に示すものが挙げられる。このうち、図４のものは光ファイバロッドの中心部に一本の入射光ファイバ３５を配設し、その外周に複数本の出射光ファイバ３６を配設したものである。また、図５のものは、同じく光ファイバロッドの中心部に一本の入射光ファイバ３５を配設し、その外周に複数本の出射光ファイバ３６を配設したものであるが、入射光ファイバ３５の径を大きくして被検出ガスへの検査光の入射量を増大したものである。また、図６のものは、光ファイバロッドの中心部に四本の入射光ファイバ３５を配設し、その外周に複数本の出射光ファイバ３６を配設したものであり、図５のものと同様に、被検出ガスへの検査光の入射量を増大することが可能となる。このように、出射光ファイバ３６の数を入射光ファイバ３５の数よりも大きくすることにより、感度を向上し、Ｓ／Ｎを良好なものとすることができる。
【００１９】
前述した複数の光ファイバ３５、３６は、接着剤によって被覆され、一体に固着されている。本実施形態では、この接着剤にセラミックス系接着剤を用いた。セラミックス系接着剤の被覆層を符号３７で示す。従来の接着剤は、所謂エポキシ系接着剤であり、熱に弱く、通常のエンジンの運転状態で容易に溶損してしまう。セラミックス系接着剤は耐熱性に優れるが、硬化後の研削が非常に困難である。特に、光ファイバの被覆に用いた場合には、接着剤の被覆層３７と共に光ファイバの端面を研削する必要が生じる。本発明者等は、鋭意検討の末、硬化したセラミックス系接着剤ごと、光ファイバの端面を研削する技術を見出し、本実施形態のガス濃度センサを開発した。
【００２０】
本実施形態のガス濃度センサ及びそれを用いたエンジン用混合気濃度検出装置によれば、Ｓ／Ｎ及び耐熱性に優れるため、低回転から高回転まで、高応答に混合気濃度を検出することが可能となる。図７ａは、低スロットル開度から一気にスロットルを開いたときの混合気濃度の経時変化を示すものである。本実施形態では、非常に高応答に混合気濃度を検出することができるので、サンプリング周期を短くすることにより、例えば図７ａのデータから図７ｂに示すような１サイクル間の混合気濃度変化を取り出すこともできるし、図７ｃに示すような回転数毎の混合気濃度変化、即ち過渡変化も取り出すことができる。
【００２１】
また、本実施形態では、前述のような耐熱性の向上から、ガス濃度センサを組み込む点火プラグ１０の大きさを小さくすることが可能となった、つまりガス濃度センサの小型化に成功した。従って、図８に示すように、前記鏡３９部分が燃焼室５内に突出するようにして、一つの燃焼室５に対し、複数のガス濃度センサ（点火プラグ１０）を取付け、夫々のガス濃度センサで燃焼室内の異なる部分の混合気濃度を検出することも可能である。このとき、例えば図９に示すように一つのレーザ３０からの光をハーフミラー３８で分光して各ガス濃度センサに供給したり、図１０に示すように各ガス濃度センサの前記入射光ファイバ３５を束ねて一つのレーザ３０からの光を各入射光ファイバ３５に入射するようにしたりすることにより、同位相の検査光を複数のガス濃度センサに供給することが可能となる。また、各入射光ファイバ３５の入射端にレンズを介装して光のビーム径を調整すれば効率を向上することが可能となる。このようにして一つの燃焼室５の複数の箇所で混合気濃度を検出するようにすれば、燃焼室５内の混合気の濃度分布を検出することができる。
【００２２】
なお、前記実施形態では、所定の波長又は周波数の光源としてレーザを用いたが、光源はこれに限定されない。例えば、混合気濃度を検出するためには赤外光が必要であるが、赤外光は熱体から放射するので、ヒータなどを用いることも可能である。
また、本発明のガス濃度センサは、エンジンの燃焼室内に限らず、あらゆる分野でガスの濃度を検出することが可能であり、特に熱負荷の大きい、高温条件で利用できる。その場合には、被検出ガスが効率よく吸収する光の波長又は周波数を設定すればよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項１に係るガス濃度センサによれば、所定の波長又は周波数の光を被検出ガスに出射するための光導波路よりも、その反射光を入射するための光導波路を多くしたことにより、反射光の回収量が多くなり、感度が向上し、Ｓ／Ｎが良好になる。
【００２４】
また、本発明のうち請求項２に係るガス濃度センサによれば、鏡をＮｉ−Ｃｒ合金製としたことにより、鏡の耐熱性が向上し、高回転型、高熱負荷エンジンにも適用可能となる。
また、本発明のうち請求項３に係るガス濃度センサによれば、鏡を溶接により固着したことにより、熱伝達特性が向上し、より高回転型、高熱負荷エンジンにも適用可能となる。
【００２５】
また、本発明のうち請求項４に係るガス濃度センサによれば、二以上の光導波路をセラミックス系接着剤で被覆するように固着し、硬化後、セラミックス系接着剤ごと、光導波路の入出射端面を研削したことにより、光導波路被覆の耐熱性が向上し、高回転型、高熱負荷エンジンにも適用可能となる。
また、本発明のうち請求項５に係るガス濃度センサによれば、二以上の光導波路を点火栓内に配設したことにより、エンジンの燃焼室中、最も検出したい点火栓位置での混合気濃度の検出が可能となる。
【００２６】
また、本発明のうち請求項６に係るエンジン用混合気濃度検出装置によれば、一つの燃焼室に対し、鏡が燃焼室内に突出するようにしてガス濃度センサを二以上配設し、当該燃焼室内の異なる部位の混合気濃度を検出する構成としたため、燃焼室内の混合気の分布状態まで検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モータサイクル用のエンジン及び混合気濃度検出装置の概略構成図である。
【図２】図１の点火プラグに配設されたガス濃度センサの詳細図である。
【図３】図２のガス濃度センサの光ファイバの配置図である。
【図４】図２のガス濃度センサの光ファイバの配置図である。
【図５】図２のガス濃度センサの光ファイバの配置図である。
【図６】図２のガス濃度センサの光ファイバの配置図である。
【図７】図１の混合気濃度検出装置による混合気濃度の検出結果の説明図である。
【図８】燃焼室の多点で混合気濃度を検出する説明図である。
【図９】検査光の分光方法の説明図である。
【図１０】検査光の分光方法の説明図である。
【符号の説明】
１はエンジン
３はクランクシャフト
４はピストン
５は燃焼室
６は吸気管
７は吸気バルブ
８は排気管
９は排気バルブ
１０は点火プラグ
１１は点火コイル
１２はスロットルバルブ
１３はインジェクタ
１５はエンジンコントロールユニット
１６は圧力制御バルブ
１７は燃料ポンプ
３０はレーザ
３１はチョッパ
３２は光強度検出器
３３は光ファイバケーブル
３４は光ファイバロッド
３５は入射光ファイバ
３６は出射光ファイバ
３７は接着剤被覆層
３８はハーフミラー
３９は鏡
【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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【図７】
2004184175.tif 000009
【図８】
2004184175.tif 000010
【図９】
2004184175.tif 000011
【図１０】
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