(57)【要約】【課題】計測した燃料蒸気濃度に基づいて見出された点火時期や噴射時期等の諸条件の最適値が、実際に使用する点火栓に置き換えても変化することがなく、しかも耐圧性を確保できる内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置を得る。【解決手段】燃料蒸気濃度計測装置１０の点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６では、サファイアロッド３０が中心電極２４の内部に中心軸に沿って設けられており、さらに、サファイアロッド３０の先端面と反射鏡３２との間が混合気濃度計測部２８とされている。これにより、一般的に量産されて実際に使用される点火栓の放電位置と等しい位置で混合気濃度を計測することができる。さらに、中心電極２４の外周を覆う碍子２２を一般的な点火栓とほぼ等しい厚みに設定することができ、耐圧性を確保できる。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を発光する光源と、中心電極及び接地電極を有する点火栓の電極放電部分に臨んで設けられ前記光源から発光された前記波長の光を透過させる燃料蒸気濃度計測部と、前記燃料蒸気濃度計測部を透過した光を受光して当該光の強度を検出する光強度検出器と、を備え、前記燃料蒸気濃度計測部を透過した光の強度の減衰に基づいて燃料蒸気濃度を計測する内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置において、
前記光源及び前記光強度検出器に光学的に接続され前記光源から発光された前記波長の光及び前記燃料蒸気濃度計測部を透過した後の光を伝送する光学素子を、前記燃料蒸気濃度計測部に臨みかつ前記点火栓の中心電極の内部に点火栓の中心軸に沿って設けた、
ことを特徴とする内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は光の減衰に基づいて燃料蒸気濃度を検出する内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関における燃焼室内の燃料蒸気濃度（空燃比）を計測するための装置が知られている（一例として、特開平１１−５１８６６号公報、特開平６−２８０６６９号公報）。
【０００３】
この種の計測装置では、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を、燃焼室内の点火栓近傍位置に設けられた計測部に出射して当該計測部を透過させ、さらに計測部を透過した光を受光して当該光の強度を検出し、この検出した光の強度の減衰状態に基づいて燃料蒸気濃度（空燃比）を計測するように構成されている。
【０００４】
ところで、一般的な（量産化されている）点火栓は、そのほぼ中心軸上で火花を発生させるものが大部分である。この点、前記公報に示された従来の計測装置では、何れも、燃料蒸気濃度を計測するための光学系部が点火栓に一体に設けられ、しかもこの光学系部が点火栓の中心電極と並列に配置された構成となっており、燃料蒸気濃度の計測位置が点火栓の中心軸から離れて配置された構成となっていた。このため、以下の問題が生じていた。
（１）　内燃機関のうち特に直噴ガソリンエンジンでは、混合気が成層化されるため、点火時期において可燃混合気が点火位置に形成されることがエンジンを安定に運転するうえで必須の条件である。そのため、エンジン開発時に、点火位置における混合気濃度に対する燃料噴射時期、点火時期、空気流動等の関係を正確に把握し、それらを最適な状態に設定することが重要である。しかしながら、直噴ガソリンエンジンでは混合気が成層化されているために、混合気濃度に空間分布があり、僅かな空間位置の違いによって混合気濃度が大きく変化する場合も想定される。
【０００５】
このような場合に対して、前述の如き従来の燃料蒸気濃度計測装置によって測定した混合気濃度を基にして、最適な混合気状態となるように燃料噴射時期、点火時期、空気流動等を設定しても、計測される位置が実際に使用される（一般的に量産されている）点火栓の点火位置とは異なるために、実施の点火栓を使用した時にはそれが最適な設定条件になっていないことがある。すなわち、このことは、エンジンを改良、開発していく段階で誤った指針を提示してしまう可能性が存在するということであり、重大な問題である。
（２）　前述の如く従来の燃料蒸気濃度計測装置では、点火栓内に混合気濃度を計測する光学系部が中心電極と平行（並列）に組み込まれているために、中心電極の外周を覆う碍子（絶縁体）の厚みが、一般的な（量産され実際に使用される）点火栓よりも薄いものになる。このように点火栓の碍子の厚みが薄いものでは、点火時に高電圧を流すと絶縁破壊して正常な点火ができなくなる。この問題は、特に以下に述べる希薄燃焼エンジンや直噴ガソリンエンジンに適用する場合に発生しやすく、点火機能の故障を招いたり、あるいはこれを避けるために適用範囲の制限を受けることになる。
【０００６】
▲１▼　希薄燃焼エンジンでは、理論空燃比で運転するエンジンと比較して、混合気濃度が薄いために大きな点火エネルギーが必要になり、点火栓の碍子の厚みが薄いものでは絶縁破壊して点火不良、点火機能の故障が発生する可能性が高くなる。
【０００７】
▲２▼　直噴ガソリンエンジンの成層運転時においては、吸気管内噴射する従来のガソリンエンジンとは異なり、点火栓近傍に混合気が存在するのは限られた期間である。そのため、エンジン開発時においては最適な点火時期を見出すために、故意に、混合気が点火栓近傍に存在しない時期、あるいは非常に混合気濃度が低い時期に点火時期を設定して開発データ等を得ようとする場合がある。一般に、混合気が存在しない場合の方が放電しにくいために、絶縁破壊が発生しやすくなる。この点、一般的な（量産され実際に使用される）点火栓は、そのような状態でも絶縁破壊が発生しない厚みの碍子に設計されている。
【０００８】
これに対して、前述の如き従来の燃料蒸気濃度計測装置では、その構造上、点火栓の碍子を薄く設定せざるを得ないために、上記のような条件下では絶縁破壊して点火不良、点火機能の故障が発生する可能性が高くなる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事実を考慮し、計測した燃料蒸気濃度に基づいて見出された点火時期、噴射時期、燃焼室形状、空気流動等の諸条件の最適値が、一般的に量産されている実際に使用する点火栓に置き換えても変化することがなく、しかも、装置がコンパクトで前記一般的に量産されている点火栓と同等の絶縁破壊に対する耐圧性を確保でき、希薄混合気あるは混合気が存在しない状況下で放電しても絶縁破壊が発生せず点火機能の故障を防止することができる内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置を得ることが目的である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置は、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を発光する光源と、中心電極及び接地電極を有する点火栓の電極放電部分に臨んで設けられ前記光源から発光された前記波長の光を透過させる燃料蒸気濃度計測部と、前記燃料蒸気濃度計測部を透過した光を受光して当該光の強度を検出する光強度検出器と、を備え、前記燃料蒸気濃度計測部を透過した光の強度の減衰に基づいて燃料蒸気濃度を計測する内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置において、前記光源及び前記光強度検出器に光学的に接続され前記光源から発光された前記波長の光及び前記燃料蒸気濃度計測部を透過した後の光を伝送する光学素子を、前記燃料蒸気濃度計測部に臨みかつ前記点火栓の中心電極の内部に点火栓の中心軸に沿って設けた、ことを特徴としている。
【００１１】
請求項１記載の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置では、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光が光源から発光され、当該光は燃料蒸気濃度計測部に出射されて当該燃料蒸気濃度計測部を透過し、さらに、燃料蒸気濃度計測部を透過した光は光強度検出器によって受光されてその光の強度が検出される。この検出した光の強度の減衰状態に基づいて、燃料蒸気濃度（空燃比）が計測される。
【００１２】
ここで、請求項１記載の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置では、光源から発光された前記所定波長の光及び燃料蒸気濃度計測部を透過した後の光を伝送する光学素子が、燃料蒸気濃度計測部に臨みかつ点火栓の中心電極の内部に点火栓の中心軸に沿って設けられている。このため、以下の作用効果を奏するものである。
▲１▼　内燃機関における一般的な（量産され実際に使用される）点火栓は、そのほぼ中心軸上で放電して火花を発生させるものが大部分である。この点、請求項１記載の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置では、光を伝送する光学素子を点火栓の中心電極の内部に点火栓の中心軸に沿って設け、この光学素子を介して当該所定波長の光を燃料蒸気濃度計測部に透過させる構成としたため、一般的に量産されている（実際に使用される）点火栓の放電位置と同じ位置（すなわち、点火栓の中心軸上）での混合気濃度を計測できる。
【００１３】
したがって、請求項１記載の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置によって計測した混合気濃度を基にして見出された点火時期、噴射時期、燃焼室形状、空気流動等の諸条件の最適値は、実際に使用する点火栓に置き換えても変化することがない。これは特に、混合気が成層化されて混合気濃度の空間差が大きい直噴ガソリンエンジンの開発に適用する場合には、極めて有効である。
▲２▼　光を伝送する光学素子を点火栓の中心電極の内部に点火栓の中心軸に沿って設けた構成としたため、中心電極と光学素子とをコンパクトに点火栓内部に組み込むことができ、結果的に、点火栓の中心電極の外周を覆う碍子（絶縁体）の厚みを、一般的に量産されている（実際に使用される）点火栓と同等にすることができる。これによって、一般的に量産化されている点火栓と同等の絶縁破壊に対する耐圧性を確保でき、従来では問題であった希薄混合気あるは混合気が存在しない状況下で放電しても絶縁破壊が発生せず、点火機能の故障を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施の形態に係る内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置１０の全体構成が断面図にて示されている。
【００１５】
この燃料蒸気濃度計測装置１０は、光源１２、光強度検出器１４、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６、及び、光ファイバー１８によって構成されている。
【００１６】
光源１２は、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を発光するようになっており、例えば、波長が３．３９μｍの赤外光を発光する赤外線レーザーとされている。また、光強度検出器１４は、後述する点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６を透過した後の前記波長の光を受光して、当該光の強度を検出できる光電素子である。
【００１７】
一方、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６は、ガソリンエンジン４０の燃焼室４２の点火栓取付螺子部に取り付けられている。
【００１８】
さらに、光ファイバー１８は、片側を二分岐した「１：２分岐型」の光ファイバーであり、二分岐側はそれぞれ一本以上のファイバー素線で構成され、これらのファイバー素線が一分岐側で束ねられた構成となっている。この光ファイバー１８の一分岐側が、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６に接続されており、さらに、二分岐側の一方がチョッパー２０を介して光源１２に接続されると共に他方が光強度検出器１４に接続されている。これにより、光源１２から出射された前記所定波長の光を光源１２から点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６へ伝播すると共に、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６からの光を光強度検出器１４へ伝播できるようになっている。
【００１９】
ここで、図２には、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６の詳細が断面図にて示されている。
【００２０】
点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６は、その中心軸上に配置され周囲を碍子２２によって覆われた中心電極２４と、この中心電極２４の側方に配置された接地電極２６を備えており、中心電極２４と接地電極２６との空隙で放電されて火花を発生する。これらの中心電極２４及び接地電極２６による電極放電部分に臨む箇所（中心電極２４の先端部近傍部分）が、燃料蒸気濃度計測部２８とされている。
【００２１】
また、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６は、光学素子としてのサファイアロッド３０を備えている。このサファイアロッド３０は、中心電極２４の内部に点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６（中心電極２４）の中心軸に沿って設けられており、さらにその先端面は外部に露出して設けられている。このサファイアロッド３０に、光ファイバー１８の一分岐側が接続されている。これにより、サファイアロッド３０は、光源１２から発光された前記所定波長の光及び燃料蒸気濃度計測部２８を透過した後の光を伝送することができる。
【００２２】
さらに、サファイアロッド３０の外部に露出する先端面に対向して、反射鏡３２が設けられている。この反射鏡３２は、例えば金属表面を鏡面状に研磨したものであり、サファイアロッド３０の先端面と反射鏡３２との間が混合気濃度計測部２８として設定された構成である。
【００２３】
以上により、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６のサファイアロッド３０は、光源１２から発光され光ファイバー１８によって伝播された前記所定波長の光を伝送して燃料蒸気濃度計測部２８へ出射することができると共に、燃料蒸気濃度計測部２８を透過した後の光（反射鏡３２によって反射された光）を再び光ファイバー１８へと伝送することができる構成となっている。
【００２４】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２５】
上記構成の内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置１０では、光源１２から出射された所定波長の光は、二分岐側の片方の光ファイバー１８を介して点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６内に導かれ、一分岐側の光ファイバー１８端面から出射される。光ファイバー１８端面から出射された光は、サファイアロッド３０を介してこのサファイアロッド３０の先端面から燃料蒸気濃度計測部２８へ出射し、反射鏡３２で反射された後に、再びサファイアロッド３０を介して１分岐側の光ファイバー１８に入射される。
【００２６】
この場合、混合気濃度計測部２８にサファイアロッド３０の先端面から出射され反射鏡３２で反射された光は、混合気濃度計測部２８を透過することで減衰される。この減衰された光が、サファイアロッド３０を介して１分岐側の光ファイバー１８に入射されることになり、当該減衰された光は、二分岐側の光ファイバー１８を介して光強度検出器１４に導かれ、光強度が計測される。
【００２７】
このようにして計測された光強度から、混合気濃度計測部２８内に存在する混合気濃度Ｃが、次の関係式によって求められる。
【００２８】
Ｃ＝ｌｎ（Ｉ０／Ｉ）／（μ・Ｌ）
なおここで、ｌｎは自然対数、Ｉ０は混合気濃度計測部２８に出射する光強度、Ｉは混合気濃度計測部２８を透過し混合気によって減衰された光強度、μは混合気の吸光係数、Ｌは光路長（サファイアロッド３０の先端面と反射鏡３２の距離の２倍）である。
【００２９】
以上の如く、本実施の形態に係る内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置１０では、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６における混合気濃度計測部２８を、この点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６（中心電極２４）の中心軸上に配置する構成としたため、一般的に量産されている（実際に使用される）点火栓の放電位置と等しい位置で混合気濃度を計測することができる。
【００３０】
したがって、本燃料蒸気濃度計測装置１０によって計測された混合気濃度を基にして見出された点火時期、噴射時期、燃焼室形状、空気流動等の諸条件の最適値は、一般的に量産されている（実際に使用される）点火栓に置き換えても変化することがない。これは特に、混合気が成層化されて混合気濃度の空間差が大きい直噴ガソリンエンジンの開発に適用する場合には、極めて有効である。
【００３１】
さらに、光を伝送するサファイアロッド３０を中心電極２４の内部に中心電極２４の中心軸に沿って設けたことにより、中心電極２４及びサファイアロッド３０と光ファイバー１８（一分岐側）を点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６内にコンパクトに組み込むことができる。これによって、中心電極２４の外周を覆う碍子２２（絶縁体）を、一般的に量産されている（実際に使用される）点火栓とほぼ等しい厚みに設定することができる。
【００３２】
ここで、碍子２２の厚みは点火時に高電圧を流したときの絶縁破壊に対する耐圧性に密接に関係し、耐圧性は厚い方が高い。一般的に量産化されている点火栓は、混合気濃度が薄いために高い点火エネルギーが必要な希薄燃焼エンジンや、混合気が成層化される直噴ガソリンエンジンに搭載した際においても、絶縁破壊が発生しない充分な碍子の厚みに設計されている。この点、本燃料蒸気濃度計測装置１０では、点火栓一体型混合気濃度計測プローブ１６の碍子２２の厚みを、前記一般的に量産化されている点火栓のものと同等の厚みにすることができるので、このようなエンジンに適用しても絶縁破壊による点火機能の故障を防止することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明に係る内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置は、計測した燃料蒸気濃度に基づいて見出された点火時期、噴射時期、燃焼室形状、空気流動等の諸条件の最適値が、一般的に量産されている実際に使用する点火栓に置き換えても変化することがなく、しかも、装置がコンパクトで前記一般的に量産されている点火栓と同等の絶縁破壊に対する耐圧性を確保でき、希薄混合気あるは混合気が存在しない状況下で放電しても絶縁破壊が発生せず点火機能の故障を防止することができるという優れた効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置の点火栓一体型混合気濃度計測プローブの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　　内燃機関用燃料蒸気濃度計測装置
１２　　光源
１４　　光強度検出器
１６　　点火栓一体型混合気濃度計測プローブ
１８　　光ファイバー
２４　　中心電極
２６　　接地電極
２８　　燃料蒸気濃度計測部
３０　　サファイアロッド（光学素子）
３２　　反射鏡
【図１】
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【図２】
2004093282.tif 000004