(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼室内の物理量（燃料濃度等）を高精度に検出する。【解決手段】燃焼室内に入光側ロッド１１と出光側ロッド１２とを間隙を介して対向配置し、その間の計測部を透過させたときの光量と計測部の筒内ガスに影響されない（光吸収がない）状態での基準光量とに基づいて燃料濃度等を検出するもので、各ロッド１１，１２の計測部と反対側の端部間に、校正ガスと筒内ガスとを選択的に充填して、そのときの出射光量を計測し、これら出射光量に基づいて基準光量を計測部内の残留ＨＣ等の影響を受けることなく高精度に算出可能な構成とした。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に一対の光学素子を所定間隙を有して対向配置し、前記一対の光学素子の燃焼室内に臨む端部間の計測部に光源からの光を透過させ、該計測部での筒内ガス透過により変化する光量と筒内ガスの影響を受けない場合の基準光量とに基づいて燃焼室内の燃焼に関与する物理量を検出する筒内物理量検出装置であって、
前記計測部以外の光路の一部に筒内ガスと濃度が既知な校正ガスとを選択的に充填可能なガス室を形成し、該ガス室に筒内ガスと校正ガスとを選択的に充填したときに検出された光量に基づいて前記基準光量を算出可能な構成としたことを特徴とする筒内物理量検出装置。
【請求項２】
前記ガス室は、一対の光学素子の前記計測部と反対側の端部間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の筒内物理量検出装置。
【請求項３】
光が出射する側の光学素子の端面に、対向する光学素子側に光を反射させて前記ガス室に導く反射面を形成したことを特徴とする請求項２に記載の筒内物理量検出装置。
【請求項４】
前記校正ガスとして空気を用いることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内物理量検出装置。
【請求項５】
燃焼室内に連通する筒内ガス通路と、校正ガス源に連通する校正ガス通路と、これら通路を選択的に前記ガス室に連通させる流路切換弁と、該ガス室内のガスを吸引して排出するポンプと、前記ポンプと流路切換弁との駆動を制御してガス室に筒内ガスと校正ガスとで交互にガス室を充填しつつ光量を計測させる制御手段と、を含んで構成したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内物理量検出装置。
【請求項６】
前記筒内ガスをガス室に充填するタイミングを内燃機関の吸気行程または排気行程とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内物理量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の燃料濃度など燃焼に関与する物理量を光学的に検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の燃焼室内に点火プラグと一体化して臨ませた一対の光学素子間にレーザ光を透過させ、その間の吸収光量を計測することで、周辺の各ガス濃度を検出する装置が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、特定の分子が特定波長のレーザ光に吸収されるという現象を基に、特定分子のモル濃度（Ｃ）はレーザ吸収率（Ｒ）と光路長Ｌ及び吸光係数ｋを変数としてＣ＝ｋ×Ｌ×Log（Ｒ）というLamber  Beerの関係を使い、濃度を計測するものである。
【０００４】
また、次式によれば、２波長のレーザ光の吸収を測定することにより、燃焼室内の温度計測も可能となり、吸収法に基づく各種物理量の計測が可能になる。
１／Ｔ＝１／Ｔref−ｋ／（hc・ΔＥ）・In[（α１／α２）／（Ｓ１／Ｓ２）]
Ｔ＝測定温度，Ｔref＝基準温度，α＝In（吸収率），Ｓ＝基準温度の吸収強度，添字１，２＝波長１，２
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−７４６５１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような吸収法による計測では、基本的に燃焼室内に臨む一対の光学素子間の計測部を光が透過する間に筒内ガスにより吸収されたときの光量Ｉと、筒内ガスによる吸収が無い場合の基準光量Ｉ0とで算出される吸収率（Ｉ／Ｉ0）を用いる。
【０００７】
ところで、筒内では、計測部の素子表面が煤等で汚染されることにより光吸収のない状態での基準光量Ｉ0が変動するので、みかけ上の基準光量であるＩ0’をモニターする必要がある。しかし、現状では、みかけ上の基準光量Ｉ0’をモニターする方法がなかったため、便宜上、１サイクル中のＩの最大値をみかけ上の基準光量Ｉ0’とする方法が採られている。すなわち、燃焼室内の燃焼ガスが排出されて新気が充填されたときに計測部の光を吸収する燃料（ＨＣ）分子の数が最小となって光量が最大となる。
【０００８】
しかしながら、このような手法では、残留ＨＣ等の影響を完全に除去することが不可能であるため、真のみかけ上の基準光量Ｉ0’を求めることができず、ひいては燃料濃度等の検出精度を損ねていた。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、基準光量を正確に求めることができ、もって、燃焼室内の燃焼に関与する物理量の検出精度を確保できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、一対の光学素子の燃焼室内に臨む端部間の計測部以外の光路の一部に前記筒内ガスと濃度が既知な校正ガスとを選択的に充填可能なガス室を形成した構造を有する。そして、前記ガス室に筒内ガスと校正ガスとを選択的に充填したときのそれぞれの計測結果に基づいて光量を演算する２つの演算式を方程式として、前記基準光量を算出することができるようにした。
【００１１】
このようにすれば、基準光量を残留ＨＣ等の影響を受けることなく正確に算出することができ、燃料濃度等の筒内物理量の検出精度を確保できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態にかかる筒内物理量検出装置を備えた内燃機関の全体構成の概要を示す。
【００１３】
本装置のセンサ部１は、点火プラグ２と一体化して燃焼室３に設けられ、レーザ光源４からのレーザ光が入光側光ファイバ５を経てセンサ部１に入力される。該センサ部１を経たレーザ光は、出光側光ファイバ６を経て光信号検出器（光電変換器）７により光量が検出され、解析装置８により光量変化に基づいたLamberBeerの関係式などを用いた解析によってセンサ部１周りのガス濃度、さらには温度などが検出される。
【００１４】
図２は、本発明にかかる前記センサ部１の詳細を示す。一対の光学素子としての入光側ロッド１１及び出光側ロッド１２は、サファイア等で形成され、点火プラグ２の電極２ａを挟んでプラグねじ部１３内に計測部の間隙（距離Ｌ１）を有して対向配置される。
【００１５】
入光側ロッド１１及び出光側ロッド１２の下端面には、対向する光学素子側に光路を９０°ずつ屈曲させるように４５°の角度をなす反射面１１ａ，１２ａが対向して形成される。一方、入光側ロッド１１の上端面には、入光側光ファイバ５からの光を直進させて入射させるように水平に形成された入射面１１ｂが形成される。出光側ロッド１２の上端面には、下端の反射面１２ａと対称的に傾斜する反射面１２ｂが形成される。
【００１６】
プラグねじ部１３には、入光側ロッド１１及び出光側ロッド１２の上端部間に位置する部分にガス室１３ａを形成すると共に、該ガス室１３ａに連通するガス通路１３ｂ、校正ガス源（例えば大気）に連通する校正ガス通路（空気通路）１３ｃ、燃焼室内に連通する筒内ガス通路１３ｄが形成される。また、これら通路の合流部に、校正ガス通路１３ｃと筒内ガス通路１３ｄとをガス通路１３ｂを介して選択的にガス室１３ａに連通させる流路切換弁１４が装着され、筒内ガス通路１３ｄの途中を高速で開閉可能な電磁弁１５が装着される。
【００１７】
プラグねじ部１３の上端面にはカバープレート１６が固定され、流路切換弁１４及び電磁弁１５がカバープレート１６を貫通してそれぞれの駆動部が固定され、点火プラグ２の電極２ａもカバープレート１６を貫通して装着される。また、カバープレート１６には、入光側光ファイバ５の入光口５ａ及び出光側光ファイバ６の出光口６ａが装着されると共に、ガス室１３ａ内のガスを掃気させる掃気孔１６ａが形成される。ここで、出光側光ファイバ６の出光口６ａは、出光側ロッド１２の反射面１２ｂに対向し、後述するように反射面１２ｂからの反射光を入射するように形成されている。
【００１８】
図１３は、ガス室１３ａに校正ガスと筒内ガスとを選択的に充填させつつ、基準光量Ｉ0の算出（以下校正という）を行う機構の概要構成を示し、前記掃気孔１６ａに掃気通路１７を介して掃気ポンプ１８が接続されており、該掃気ポンプ１８、流路切換弁１４及び電磁弁１５の駆動が制御手段であるコントロールユニット１９により制御されて校正操作が行われる。
【００１９】
次に、図４も参照しつつ校正操作について説明する。かかる校正操作は、必要な物理量を検出しつつ校正を必要とする所定の間隔で実行される。
ｉ）まず、流路切換弁１４により、校正ガス通路１３ｃを開側にセットして、ガス室１３ａに校正ガス（空気）を充填させておき、計測に影響ない状態にしておく。通常の測定は、この状態で行う。
【００２０】
ii）次に、この状態でそのときの出射光量Ｉ2を計測部での筒内ガスによる光吸収が最小となるタイミング（例えば、機関の吸気行程または排気行程）で計測する[図４（Ａ）参照）。
【００２１】
iii）次に、ｎサイクル毎に、流路切換弁１４により筒内ガス通路１３ｄを開側に切り換えると共に掃気ポンプ１８を駆動する。
iv）電磁弁１５を高速で開きながら、ガス室１３ａから校正ガスを掃気しつつ筒内ガスを充填させる。ここで、小型なセンサ部１にはレイアウト上電磁弁１５を大きくすることができないので、ガス室１３ａ内に筒内ガスを充分に充填できるまで、複数サイクル電磁弁１５を駆動する。充填が終わった時点で、掃気ポンプ１８の駆動を停止する。
【００２２】
iv）そして、この時の光量Ｉ3を計測する[図４（Ｂ）参照、（計測時には掃気ポンプを停止して１気圧としておく）。
ｖ）その後、流路切換弁１４を校正ガス通路１３ｂ開側に切り換え、掃気ポンプ１８を駆動してガス室１３ａに校正ガスを充填し、充填が完了した時点で掃気ポンプ１８を停止する（iに戻る）。
【００２３】
以上のようにして求められた光量Ｉ2，Ｉ3を用いて、次式によりみかけ上の基準光量Ｉ0’を算出する。
Ｉ0’＝ＫＩ0＝Ｉ3／［Ｓ1Ｓ2ｅ(L1+L2)[C2-1/L2・Log(I2/I3)]］・・・(1)
以下に、前記みかけ上の基準光量Ｉ0’の演算式(1)が導かれる過程を説明する。
【００２４】
Ｌ1：計測部の光路長
Ｌ2：校正部（ガス室１３ａでの出射側ロッド１２から出光口６ａまで）の光路長
Ｃ1：筒内ガス濃度（ＨＣ濃度）
Ｃ2：校正ガス濃度（校正ガスとして空気を用いるときはＣ2＝０）
Ｋ：光学素子の汚れ係数、Ｋ＝Ｋ1×Ｋ2
Ｋ1：入光側ロッド１１の汚れ係数
Ｋ2：出光側ロッド１２の汚れ係数
Ｓ1：入光側ロッド１１と計測部を合わせた領域の減衰係数
Ｓ2：出光側ロッド１２と校正部を合わせた領域の減衰係数
Ｉ0：入光側ロッド１１への入射光量
Ｉ1：出光側ロッド１２への入射光量
Ｉ2：校正部（校正ガス充填時）通過後の出射光量
Ｉ3：校正部（筒内ガス充填時）通過後の出射光量
としたとき、
出光側ロッド１２への入射光量Ｉ1は、校正部に充填されるガスの種類とは無関係に、次式で算出される。
【００２５】
Ｉ1＝Ｓ1・Ｋ1・Ｉ0・ｅC1L1・・・(2)
校正部に校正ガスを充填したときの校正部通過後の出射光量Ｉ2は、次式で算出される。
【００２６】
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校正ガスとして空気（Ｃ2＝０）を用いるときは、
Ｉ2＝Ｓ1・Ｓ2・Ｋ・Ｉ0・ｅC1L1
となる。
【００２７】
また、校正部に筒内ガスを充填したときの校正部通過後の出射光量Ｉ3は、次式で算出される。
2004205468.tif 000004
(3),(4)式より、
Ｉ2／Ｉ3＝ｅC2L2-C1L2・・・(5)
→Log（Ｉ2／Ｉ3）＝Ｃ2Ｌ2−Ｃ1Ｌ2
→Ｃ1＝Ｃ2−１／Ｌ2・Log（Ｉ2／Ｉ3）・・・(6)
汚れ係数Ｋは、(4)式を変形して
Ｋ＝Ｉ3／［Ｓ1Ｓ2Ｉ0・ｅC1L1+C1L2］・・・(7)
となり、(6)式を(7)式に代入することにより、さらに
Ｋ＝Ｉ3／［Ｓ1Ｓ2Ｉ0・ｅ(L1+L2)[C2-1/L2・Log(I2/I3)]］
のように求まるので、(1)に示したみかけ上の基準光量Ｉ0’が得られる。
【００２８】
なお、校正ガスとして空気（Ｃ2＝０）を用いるときは、
Ｋ＝Ｉ3／［Ｓ1Ｓ2Ｉ0・ｅ(L1+L2)[-1/L2・Log(I2/I3)]］
となる
このようにして算出されたみかけ上の基準光量Ｉ0’を用いて、例えば、計測部の燃料濃度ＣをLamber  Beerの関係を使い、次式のように検出することができる。
【００２９】
Ｃ＝ｋ・Ｌ・Log（Ｉ／Ｉ0’）
Ｉ:通常計測時の出射光量
ｋ：吸光係数
Ｌ：光路長
このようにすれば、図５に示すように、残留ＨＣ等の影響を受けることなく真のみかけ上の基準光量Ｉ0’を正確に算出することができ、燃料濃度等の筒内物理量の検出精度を確保できる。なお、通常計測時にもガス室１３ａ内に校正ガスを充填したままとしてもよい。
【００３０】
また、ガス室１３ａを、入光側ロッド１１と出光側ロッド１２の計測部と反対側の上端部間に形成したことにより、センサ部内にコンパクトに形成することができる。
【００３１】
また、出光側ロッド１２の端面に、対向する入光側ロッド１１側に光を反射させてガス室１３ａに導く反射面１２ｂを形成したことにより、センサ部の長手方向に延長することなく、センサ部を小型に維持することができる。
【００３２】
また、校正ガスとして空気を用いた場合は、空気を大気から導くことができ、構成を簡易にすることができる。但し、空気以外の不純物を含まない既知濃度の校正ガスを使用すれば、より、高精度に基準光量を算出することができる。
【００３３】
また、燃焼室内に連通する筒内ガス通路１３ｂと、校正ガス源（大気等）に連通する校正ガス通路１３ｃと、これら通路を選択的にガス室１３ａに連通させる流路切換弁１４と、ガス室１３ａ内のガスを吸引して排出する掃気ポンプ１８と、該掃気ポンプ１８と流路切換弁１４との駆動を制御してガス室１３ａに筒内ガスと校正ガスとで交互にガス室を充填しつつ光量を計測させるコントロールユニット１９と、を含んで構成したことにより、高精度に制御することができる。
【００３４】
また、筒内ガスをガス室１３ａに充填するタイミングを内燃機関の吸気行程または排気行程としたことにより、濃度の安定した筒内ガスを用いて基準光量を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す図
【図２】同上実施形態のセンサ部の要部構成を示す図
【図３】同上実施形態の校正を行う機構の概要構成を示す図
【図４】同上校正操作時の動作を示す図
【図５】別の実施形態の効果を示す図
【符号の説明】
１…センサ部    ３…燃焼室    ４…レーザ光源    ５…入光側ファイバ    ６…出光側ファイバ    ７…光信号検出器    １１…入光側ロッド    １１ａ…反射面    １１ｂ…入射面    １２…出光側ロッド    １２ａ…反射面    １２ｂ…反射面    １３ａ…ガス室    １３ｂ…ガス通路    １３ｃ…校正ガス通路１３ｄ…筒内ガス通路    １４…流路切換弁    １５…電磁弁    １７…掃気通路    １８…掃気ポンプ    １９…コントロールユニット
【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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