(57)【要約】【課題】  検出精度を向上させることができ、製造コストを削減することができる内燃機関のガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】  内燃機関３の燃焼室３ｄの点火プラグ１０付近における燃料ガス中のガソリン濃度を検出するガス濃度検出装置１は、発光器３１、受光器３２、発光側および受光側の光ファイバ２４，２５および反射鏡２８およびＥＣＵ２を備える。発光器３１から放射された波長３．３９μｍの赤外線レーザビームは、発光側の光ファイバ２４内を透過し、その発光端部２４ａから燃焼室３ｄ内に放射され、反射鏡２８により反射されることで、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａに入射し、受光器３２により受光される。ＥＣＵ２は、発光時の赤外線レーザビームの強度Ｉ0と、受光時の赤外線レーザビームの強度Ｉとに基づき、ガソリン濃度Ｃを演算する。【選択図】  図３
2005233694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の点火プラグ付近における燃料ガス中の所定成分の濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置であって、
所定の波長の光を発光する光源と、
前記光源からの光を前記燃焼室内に向かって所定の向きに放射する放射部と、
前記放射部と所定間隔を存して前記燃焼室内の前記点火プラグ付近に配置され、前記放射部から放射された光を所定の角度で反射する反射部と、
前記反射部により反射された光を受光する受光部と、
前記光源が発光した光の強度と、前記受光部により受光された光の強度とに基づき、前記所定成分の濃度を演算するガス濃度演算手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関のガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記放射部、前記反射部および前記受光部は、前記点火プラグに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記放射部および前記受光部は、互いに隣接するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記反射部を保持するとともに、前記点火プラグに着脱自在に取り付けられたホルダをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記反射部と前記放射部との間の前記所定間隔を変更する間隔変更機構をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室の点火プラグ付近における燃料ガス中の所定成分の濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室の点火プラグ付近における混合気中のガソリン濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このガス濃度検出装置は、レーザ発光器、発光側および受光側の一対の光学素子、レーザ受光器およびコントローラなどを備えている。発光側および受光側の光学素子はいずれも、サファイアで構成され、点火プラグに一体に設けられている。また、これらの発光側および受光側の光学素子は、互いに対向しかつ間隔を存する状態で、点火プラグの下端面から外方に突出しているとともに、斜めにかつ面対称に配置された反射面をそれぞれ有している。
【０００３】
このガス濃度検出装置では、以下のように、点火プラグ付近の混合気中のガソリン濃度が検出される。すなわち、コントローラからの駆動信号によりレーザ発光器が駆動されると、レーザ発光器より、所定波長の赤外線レーザビームが放射される。この赤外線レーザビームは、点火プラグ内の光路を下向きに透過し、発光側の光学素子に入射した後、発光側の光学素子の反射面により、光路が受光側の光学素子に向かって直角に変更される。そして、赤外線レーザビームは、発光側の光学素子から燃焼室内に放射され、燃焼室内の混合気を透過した後、受光側の光学素子に入射する。その後、赤外線レーザビームは、発光側の光学素子の反射面により、光路が上向きに直角に変更され、点火プラグ内の光路を上向きに透過した後、レーザ受光器に入射し、これにより電気信号に変換され、コントローラに入力される。
【０００４】
その後、コントローラにより、レーザ発光器から放射された赤外線レーザビームの強度と、レーザ受光器に入射した赤外線レーザビームの強度との関係に基づいて、混合気ガス中のガソリン濃度が演算される。すなわち、ガソリン濃度は、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合い（透過率）に基づいて演算される。これは、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合いは、混合気中のガソリン濃度の高さにほぼ比例することに起因する。
【０００５】
【特許文献１】特許第２９２１３２５号公報（１〜２頁、図２，３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のガス濃度検出装置のような検出手法では、混合気中のガソリン濃度が、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合いに基づいて演算されるので、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な、発光側および受光側の光学素子間の距離、すなわち赤外線レーザビームの透過距離の最適値は、燃焼室内のガソリン濃度によって異なる値を示す。例えば、リーンバーン運転される内燃機関と、理論空燃比に近い空燃比で運転される内燃機関では、赤外線レーザビームの透過距離の最適値は、互いに異なる値を示す。しかしながら、上記従来のガス濃度検出装置によれば、発光側および受光側の光学素子がいずれも、点火プラグの下面から突出するように、これに一体に設けられているため、２つの光学素子間の距離は、点火プラグの径方向のサイズにより制限されてしまう。その結果、赤外線レーザビームの透過距離の最適値を確保できないことで、検出精度の低下を招くおそれがある。同じ理由により、２つの光学素子間の距離を変更する場合、点火プラグ自体を設計変更する必要があるため、製造コストの上昇を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、検出精度を向上させることができ、製造コストを削減することができる内燃機関のガス濃度検出装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３の燃焼室３ｄの点火プラグ１０付近における燃料ガス中の所定成分（例えば実施形態におけるガソリン）の濃度を検出する内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａであって、所定の波長（３．３９μｍ）の光（赤外線レーザビーム）を発光する光源（発光器３１）と、光源からの光を燃焼室３ｄ内に向かって所定の向きに放射する放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）と、放射部と所定間隔を存して燃焼室３ｄ内の点火プラグ１０付近に配置され、放射部から放射された光を所定の角度で反射する反射部（反射鏡２８）と、反射部により反射された光を受光する受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）と、光源が発光した光の強度（発光器が発光した赤外線レーザビームの強度Ｉ0）と、受光部により受光された光の強度（受光器により受光された赤外線レーザビームの強度Ｉ）とに基づき、所定成分の濃度（ガソリン濃度Ｃ）を演算するガス濃度演算手段（ＥＣＵ２）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、光源が発光した所定の波長の光は、放射部により内燃機関の燃焼室に向かって所定の向きに放射され、反射部により所定角度で反射された後、受光部に受光される。この反射部は、放射部と所定間隔を存して燃焼室内の点火プラグ付近に配置されているので、放射部から放射された光は、放射部から反射部までの間、および反射部から受光部までの間にわたって、燃焼室内の点火プラグ付近の燃料ガス中を透過する。したがって、例えば、この光の所定の波長を、燃料ガス中の所定成分により吸収されるような適切な値に予め設定することによって、光源が発光した光の強度と、受光部により受光された光の強度とに基づき、燃焼室内の燃料ガス中の所定成分の濃度を適切に演算することができる。また、光が燃焼室内の燃料ガス内を透過する透過距離は、放射部と反射部との間の距離、および反射部と受光部との間の距離の和になるので、従来の２つの光学素子間のみの場合と比べて、光の透過距離をより長く確保することができる。それにより、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離が比較的、長い場合でも、それを適切に確保することができ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａにおいて、放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）、反射部（反射鏡２８）および受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）は、点火プラグ１０に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、放射部、反射部および受光部が、点火プラグに設けられているので、点火プラグを内燃機関に取り付けることによって、ガス濃度検出装置を内燃機関に容易に取り付けることができ、それにより、メンテナンス性を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａにおいて、放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）および受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）は、互いに隣接するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、放射部および受光部が、互いに隣接するように配置されているので、ガス濃度検出装置を小型化できる。特に、請求項２に係る発明のように、放射部、反射部および受光部が点火プラグに設けられている場合には、ガス濃度検出装置の燃焼室内に占める部分のサイズ、特に点火プラグの径方向におけるサイズを小さくすることができる。それにより、より小径の点火プラグにも適用可能になることで、商品性を向上させることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１において、反射部（反射鏡２８）を保持するとともに、点火プラグ１０に着脱自在に取り付けられたホルダ２６をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、反射部を保持するホルダが、点火プラグに着脱自在に取り付けられているので、このホルダのサイズを変更し、付け替えるだけで、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離を、容易に確保することができる。これにより、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１Ａにおいて、反射部（反射鏡２８）と放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）との間の所定間隔を変更する間隔変更機構（無頭ねじ４１、ナット４２、長孔５１）をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、間隔変更機構により反射部と放射部との所定間隔を自在に変更することができるので、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離を、容易に確保することができる。それにより、１種類のガス濃度検出装置を、運転中の混合気濃度が異なる様々なタイプの内燃機関に適用することができるので、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】ガス濃度センサおよび点火プラグの概略構成を示す断面図である。
【図３】ガス濃度センサの先端部付近の概略構成を示す（ａ）断面図と（ｂ）正面図である。
【図４】ガス濃度検出装置の検出結果に基づいて算出された混合気の空燃比と、排気ガス分析計により検出された排気ガスの空燃比との関係の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係るガス濃度検出装置におけるガス濃度センサの先端部付近の概略構成を示す（ａ）正面図と（ｂ）側面図である。
【図６】（ａ）第２実施形態のガス濃度センサにおける赤外線レーザビームの透過距離を最大値に設定した状態を示す断面図と（ｂ）透過距離を最小値に設定した状態を示す断面図である。
【図７】ガス濃度検出装置における、発光側の光ファイバの発光端部、受光側の光ファイバの受光端部および反射鏡の配置の変形例を示す図である。
【図８】ガス濃度検出装置における、発光側の光ファイバの発光端部、受光側の光ファイバの受光端部および反射鏡の配置の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置について説明する。このガス濃度検出装置は、以下に述べるように、赤外線レーザビームを用いることにより、内燃機関の吸気行程における点火プラグ付近の混合気中のガソリン濃度（すなわち炭化水素の濃度、所定成分の濃度）を検出するものである。図１に示すように、ガス濃度検出装置１は、ＥＣＵ２およびガス濃度センサ２０（図２，３参照）を備えている。
【００２０】
このＥＣＵ２（ガス濃度演算手段）は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、後述するように、ガス濃度センサ２０における発光時および受光時の赤外線レーザビームの強度に基づき、内燃機関（以下「エンジン」という）３の燃焼室３ｄ内の点火プラグ１０付近における混合気中のガソリン濃度を演算するとともに、点火制御および燃料噴射制御などの各種の制御処理を実行する。
【００２１】
エンジン３は、直列多気筒タイプのガソリンエンジンであり、シリンダ３ａおよびピストン３ｂ（ともに１つのみ図示）を備えている。シリンダ３ａのシリンダヘッド３ｃ内には、燃焼室３ｄが形成されている。
【００２２】
また、シリンダヘッド３ｃには、吸気弁４および排気弁６が設けられている。この吸気弁４は、図示しないカムシャフトの回転に伴って吸気通路５の吸気ポートを開閉するものであり、この吸気弁４の開弁により、空気が吸気通路５を介して燃焼室３ｄ内に吸入される。また、排気弁６は、図示しないカムシャフトの回転に伴って排気通路７の排気ポートを開閉するものであり、この排気弁６の開弁により、燃焼室３ｄ内の燃焼ガスが排気通路７側に排出される。
【００２３】
さらに、シリンダヘッド３ｃには、燃焼室３ｄに臨むように燃料噴射弁８が取り付けられている。エンジン３の運転中、ＥＣＵ２からの駆動信号が燃料噴射弁８に供給され、それにより、燃料（ガソリン）が燃料噴射弁８を介して燃焼室３ｄ内に直接噴射されるとともに、燃料噴射弁８の燃料噴射量すなわち開弁時期が制御される。このように、エンジン３は、いわゆる直噴式エンジンとして構成されている。
【００２４】
また、シリンダヘッド３ｃには、点火プラグ１０が着脱自在に取り付けられている。この点火プラグ１０は、点火コイル９を介してＥＣＵ２に接続されており、図２に示すように、その下端部に中心電極１１および接地電極１２を備えている。これらの中心電極１１および接地電極１２は、互いの間に所定の間隙を存する状態で設けられている。エンジン３の運転中、点火プラグ１０の中心電極１１は、ＥＣＵ２により点火コイル９を介して高電圧が加えられることで放電し、接地電極１２との間に火花を発生させ、それにより、燃焼室３ｄ内の混合気を燃焼させる。
【００２５】
さらに、点火プラグ１０には、前述したガス濃度センサ２０が設けられている。図２および図３（ａ）（ｂ）に示すように、ガス濃度センサ２０は、中空の円筒状のケーブルケース２１と、このケーブルケース２１内に収容された光ファイバケーブル２２と、ケーブルケース２１の下端部に着脱自在に取り付けられたホルダ２６などを備えている。なお、図２および図３（ａ）では、理解の容易化のために、断面部分のハッチングは適宜、省略されており、この点は、以下の説明で引用する図においても同様である。
【００２６】
ケーブルケース２１は、耐熱性を有する金属（例えばステンレス）で構成され、点火プラグ１０に気密状態で内蔵され、点火プラグ１０内を上下方向に貫通して延びるとともに、その上下端が点火プラグ１０の外方に臨んで開口している。ケーブルケース２１は、一定径の主部２１ａと、その下端から下方に延びる取付部２１ｂとを備えている。この取付部２１ｂの内径および外径は、主部２１ａと比べて小径に形成されている。
【００２７】
光ファイバケーブル２２は、ケーブルケース２１の主部２１ａに気密状態で収容され、主部２１ａの全体にわたって延びているとともに、点火プラグ１０より外方に延びる部分は、２本の光ファイバケーブル２２ａ，２２ｂに分岐している。これらの光ファイバケーブル２２ａ，２２ｂの先端部は、後述する発光器３１および受光器３２にそれぞれ接続されている。
【００２８】
また、光ファイバケーブル２２は、保護層２３と、その中心部に内蔵された発光側および受光側の光ファイバ２４，２５とを備えている。保護層２３は、発光側および受光側の光ファイバ２４，２５を保護するためのものであり、耐熱性を有する材質（例えば、ステンレスまたはジルコニアセラミックスなど）で構成されている。また、発光側および受光側の光ファイバ２４，２５は、耐熱性を有する石英系ファイバで構成されている。
【００２９】
発光側の光ファイバ２４は、光ファイバケーブル２２，２２ａ内を延びており、その燃焼室３ｄ側の端部（以下「発光端部」という）２４ａが、ケーブルケース２１の取付部２１ｂの内孔に臨んでいるとともに、発光端部２４ａと反対側の端部が、発光器３１に接続されている。また、受光側の光ファイバ２５は、光ファイバケーブル２２，２２ｂ内を延びているとともに、光ファイバケーブル２２内では、発光側の光ファイバ２４と隣接するように配置されている。さらに、受光側の光ファイバ２５は、その燃焼室３ｄ側の端部（以下「受光端部」という）２５ａが、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａと隣接する状態で、取付部２１ｂの内孔に臨んでいるとともに、受光端部２５ａと反対側の端部が、受光器３２に接続されている。
【００３０】
一方、ホルダ２６は、中空の円筒状に形成された有底のものであり、その上半部は、サファイア２７を内部に保持するサファイアホルダ２６ａになっているとともに、その下半部は、サファイアホルダ２６ａと一体の、反射鏡２８（反射部）を内部に保持する反射鏡ホルダ２６ｂになっている。
【００３１】
このサファイアホルダ２６ａの内孔には、ケーブルケース２１の取付部２１ｂが嵌合しており、この取付部２１ｂの嵌合部分には、２つの雌ねじ穴が形成されている。これらの雌ねじ穴には、ねじ２９，２９がサファイアホルダ２６ａを貫通した状態でねじ込まれ、締め付けられている。これにより、サファイアホルダ２６ａは、ねじ２９，２９を介して取付部２１ｂに着脱自在に取り付けられており、メンテナンス時などには、ねじ２９，２９を外すことにより、ホルダ２６がケーブルケース２１から取り外される。また、サファイアホルダ２６ａの内壁の下端部には、内側に突出するように、円環状の段部２６ｃが形成されている。
【００３２】
また、サファイア２７は、２本の光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａ（放射部）および受光端部２５ａ（受光部）を保護するためのものであり、円柱状に形成されている。このサファイア２７の上端面と取付部２１ｂの下端面との間、およびサファイア２７の下端面と段部２６ｃの上面との間には、ワッシャ３０，３０が上下方向に圧縮された状態でそれぞれ収容されている。これらのワッシャ３０，３０は、耐熱性を有する材質（例えば銅）で構成されており、これらのワッシャ３０，３０のシール性により、光ファイバケーブル２２、サファイア２７およびサファイアホルダ２６ａにより形成される内部空間は、燃焼室３ｄに対して気密な状態に保持されている。すなわち、２本の光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａおよび受光端部２５ａは、燃焼室３ｄ内の混合気に直接さらされないように構成されている。
【００３３】
一方、反射鏡ホルダ２６ｂは、電極１１，１２側に向かって開口する検出穴２６ｄを有している。この検出穴２６ｄは、ほぼ半円筒形に形成されており、燃焼室３ｄ内の電極１１，１２付近の混合気は、この検出穴２６ｄを介して反射鏡ホルダ２６ｂ内に導入される。また、反射鏡２８は、円盤状で、反射鏡ホルダ２６ｂの下半部に収容されており、光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａおよび受光端部２５ａに対向する位置に、これらとの間に所定間隔を存して配置されている。反射鏡２８は、その上面が下方に向かって凹のほぼ球面状の反射面２８ａになっており、この反射面２８ａにより、発光端部２４ａから放射された赤外線レーザビームは、受光端部２５ａに向かって、極めて小さい所定の反射角（≒０゜）で反射される。
【００３４】
また、前述した発光器３１（光源）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザで構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２からの駆動信号で駆動されることにより、波長３．３９μｍの赤外線レーザビームを所定強度Ｉ0で発光側の光ファイバ２４に放射する。
【００３５】
さらに、受光器３２は、光電変換回路およびバンドパスフィルタ（いずれも図示せず）などで構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、受光側の光ファイバ２５からの赤外線レーザビームを受光し、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。
【００３６】
次に、以上のようなガス濃度検出装置１の検出動作およびその検出原理について、説明する。エンジン３の運転中、吸気行程で、吸気弁４および燃料噴射弁８の開弁により、混合気が燃焼室３ｄ内に生成されると、ＥＣＵ２により発光器３１が駆動され、波長３．３９μｍで所定強度Ｉ0の赤外線レーザビームが、発光器３１から発光側の光ファイバ２４側に放射される。
【００３７】
この赤外線レーザビームは、発光側の光ファイバ２４を透過し、その発光端部２４ａから燃焼室３ｄ内の反射鏡２８に向かって放射され、サファイア２７を透過し、反射鏡２８の反射面２８ａに到達する。その際、サファイア２７と反射鏡２８との間には、燃焼室３ｄ内の混合気が検出穴２６ｄから入り込んだ状態になっているので、赤外線レーザビームは混合気内を透過する。
【００３８】
次いで、赤外線レーザビームは、反射面２８ａにより受光側の光ファイバ２５側に向かって反射され、混合気内を再度、透過する。さらに、赤外線レーザビームは、サファイア２７を透過し、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａから光ファイバ２５内に入射した後、これを介して受光器３２に到達する。そして、受光器３２は、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉを表す検出信号を、ＥＣＵ２に出力する。
【００３９】
ＥＣＵ２は、発光器３１が発光したときの赤外線レーザビームの所定強度Ｉ0に対する、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉの比（すなわち透過率）Ｉ／Ｉ0に基づき、下式により、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を演算する。
ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）＝−ε・Ｌ・Ｃ
ここで、εはモル吸光係数を、Ｌは赤外線レーザビームの混合気の透過距離を、Ｃは混合気中のガソリン濃度をそれぞれ表している。なお、本実施形態のガス濃度検出装置１の場合、透過距離Ｌは、図３（ａ）に示す、サファイア２７の下端面と反射面２８ａの中心部との間の距離Ｌｃのほぼ２倍の値（２・Ｌｃ≒Ｌ）に相当する。
【００４０】
図４は、エンジン３が所定の運転状態（回転数が１５００ｒｐｍ、吸気管内圧が−４００ｈＰａ）にある場合において、以上のようなガス濃度検出装置１により、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を検出するとともに、その検出結果に基づいて演算された混合気の空燃比（図４では「混合気Ａ／Ｆ」と表記）と、排気ガス分析計により検出された排気ガスの空燃比（図４では「排気ガスＡ／Ｆ」と表記）との関係を表したものである。同図を参照すると明らかなように、混合気の空燃比は、排気ガスの空燃比とほぼ同じ値を示しており、本実施形態のガス濃度検出装置１により、燃焼室３ｄ内の実際の混合気中のガソリン濃度が精度よく検出されていることが判る。すなわち、ガス濃度検出装置１が高い検出精度を備えていることが実証された。
【００４１】
以上のように、本実施形態のガス濃度検出装置１によれば、赤外線レーザビームが燃焼室３ｄ内の混合気を透過する透過距離Ｌは、サファイア２７と反射鏡２８との間の距離のほぼ２倍の値（２・Ｌｃ≒Ｌ）になるので、従来の２つの光学素子間のみの場合と比べて、透過距離Ｌをより長く確保することができる。それにより、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な赤外線レーザビームの透過距離が比較的、長い場合でも、それを適切に確保することができ、検出精度を向上させることができる。
【００４２】
また、発光側の光ファイバ２４、受光側の光ファイバ２５および反射鏡２８がいずれも、点火プラグ１０に取り付けられているので、点火プラグ１０をエンジン３に取り付けるだけで、ガス濃度検出装置１をエンジン３に容易に取り付けることができ、それにより、メンテナンス性を向上させることができる。
【００４３】
さらに、発光側の光ファイバ２４および受光側の光ファイバ２５が、互いに隣接するように点火プラグ１０内に配置されているとともに、これらに対向する位置に反射鏡２８が配置されているので、ガス濃度検出装置１の燃焼室３ｄ内に占める部分のサイズ、特に点火プラグ１０の径方向におけるサイズを小さくすることができる。それにより、より小径の点火プラグ１０にも適用可能になることで、商品性を向上させることができる。
【００４４】
また、ねじ２９，２９の取り外し・取り付けにより、ホルダ２６を点火プラグ１０から着脱できるので、検出すべきエンジン３の混合気中のガソリン濃度に応じて、ホルダ２６を適切な長さのものに付け替えるだけで、反射鏡２８とサファイア２７との間の距離、すなわち透過距離Ｌを、ガソリン濃度の検出に最適な値に容易に変更することができる。これにより、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【００４５】
次に、本願発明の第２実施形態に係るガス濃度検出装置について説明する。図５および図６に示すように、本実施形態のガス濃度検出装置１Ａは、第１実施形態のガス濃度検出装置１と比べて、ガス濃度センサ２０の一部が若干、異なっており、それ以外は、第１実施形態のガス濃度検出装置１と同様に構成されているので、以下、ガス濃度センサ２０の異なる部分を中心に説明する。なお、第１実施形態のガス濃度検出装置１と同様の構成については、同じ符号を付すとともに、その説明は省略する。
【００４６】
このガス濃度センサ２０は、サファイアホルダ４０と、これと別体の反射鏡ホルダ５０とを備えている。サファイアホルダ４０は、前述したサファイアホルダ２６ａと同様に、中空の円筒状に形成され、その内部にサファイア２７を保持している。このサファイアホルダ４０の下端部には、無頭ねじ４１が一体に設けられており、この無頭ねじ４１は、サファイアホルダ４０の外周面から所定長さ分、横方向に突出している。
【００４７】
また、反射鏡ホルダ５０は、中空の円筒状に形成された有底のものであり、前述した反射鏡ホルダ２６ｂと同様に、その下半部の内部に反射鏡２８を保持している。この反射鏡ホルダ５０は、上下方向に延びる長孔５１と、混合気を反射鏡２８側に導入するための検出穴５２とを備えている。
【００４８】
反射鏡ホルダ５０の内孔には、サファイアホルダ４０が嵌合している。さらに、反射鏡ホルダ５０の長孔５１には、サファイアホルダ４０の無頭ねじ４１が係合しており、この無頭ねじ４１は、反射鏡ホルダ５０の長孔５１から外方に突出しているとともに、その突出部分に、ナット４２が締め付け状態で取り付けられている。これにより、反射鏡ホルダ５０は、サファイアホルダ４０に固定されている。なお、本実施形態では、無頭ねじ４１、ナット４２および長孔５１により、間隔変更機構が構成されている。
【００４９】
以上の構成により、本実施形態のガス濃度検出装置１Ａによれば、ナット４２の締め付けを緩めることによって、反射鏡ホルダ５０を、サファイアホルダ４０に対して、無頭ねじ４１が長孔５１の上縁部に当接する最下位置（図６（ａ）に示す位置）と、長孔５１の下縁部に当接する最上位置（図６（ｂ）に示す位置）との間で、上下方向にスライドさせることができる。また、これらの最下位置と最上位置との間の任意の位置で、ナット４２を再度、締め付けることによって、反射鏡ホルダ５０をサファイアホルダ４０に位置決めし、固定することができる。その結果、赤外線レーザビームの透過距離Ｌを、図６（ａ）に示す、サファイア２７と反射鏡２８との間の距離Ｌｍａｘのほぼ２倍の値（２・Ｌｍａｘ）と、図６（ｂ）に示す距離Ｌｍｉｎのほぼ２倍の値（２・Ｌｍｉｎ）との間で、無段階に自在に変更することができる。これにより、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な透過距離Ｌを容易に確保できるとともに、１種類のガス濃度検出装置１Ａを、混合気中のガソリン濃度が異なる様々なタイプの内燃機関３に適用することができる。その結果、第１実施形態のガス濃度検出装置１よりも、製造コストを削減することができる。
【００５０】
なお、第２実施形態は、間隔変更機構を、無頭ねじ４１、ナット４２および長孔５１により構成した例であるが、間隔変更機構はこれに限らず、反射鏡２８とサファイア２７との間の間隔、すなわち透過距離を変更可能なものであればよい。例えば、間隔変更機構として、ＥＣＵ２により制御されるアクチュエータ（油圧式または電気式のもの）を備え、このアクチュエータにより、サファイアホルダ４０に対する、反射鏡ホルダ５０の上下方向の位置関係を変更するタイプのものを用いてもよい。このようにすれば、エンジン運転中、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度が変化した場合でも、その変化したガソリン濃度を検出するのに最適な赤外線レーザビームの透過距離を適切に確保することができる。
【００５１】
また、以上の各実施形態は、発光器３１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いた例であるが、発光器３１はこれに限らず、赤外線レーザビームを放射するものであればよい。例えば、発光器３１として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ以外の気体レーザ（例えばＣＯ2レーザ）、半導体レーザ（例えばPbSnTe）およびＹＡＧレーザなどを用いてもよい。
【００５２】
さらに、発光器３１から放射される赤外線レーザビームの波長は、実施形態の３．３９μｍに限らず、赤外線レーザビームが燃焼室３ｄ内を透過する際、ガソリンにより吸収されるような波長域のものであればよい。例えば、赤外線レーザビームとして、１．６μｍ付近、２．３μｍ付近および７．６μｍ付近の波長のものを用いてもよい。さらに、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度の検出に用いる光は、赤外線レーザビームに限らず、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度を検出できるものであればよい。例えば、２６０ｎｍ付近の波長の紫外線を用いてもよい。
【００５３】
また、各実施形態は、ガス濃度検出装置１をガソリンエンジンにおける混合気中のガソリン濃度の検出に適用した例であるが、本発明のガス濃度検出装置１はこれに限らず、点火プラグにより燃料ガスを燃焼させる内燃機関における、燃料ガス内の所定成分の検出に適用可能である。例えば、ＬＰＧおよびアルコール系燃料を燃料とする内燃機関における、燃料ガス内の炭化水素の濃度の検出に用いてもよい。
【００５４】
さらに、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａおよび反射鏡２８の配置は、実施形態の例に限らないことは言うまでもない。例えば、図７に示すように、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａおよび受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａを、点火プラグ１０の下端部の左右両端部に配置するとともに、反射鏡２８を、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａからの赤外線レーザビームが受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ側に反射されるように配置してもよい。また、図８に示すように、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａおよび反射鏡２８を、平面的に見て三角形を描くように配置してもよい。この場合には、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａおよび受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａに、光路を変更するための反射鏡を設ければよい。
【００５５】
また、実施形態は、ガス濃度センサ２０を点火プラグ１０に取り付けた例であるが、ガス濃度センサ２０の取付位置はこれに限らず、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を検出可能な位置であればよい。例えば、ガス濃度センサ２０を、点火プラグ１０と別体に構成し、シリンダヘッド３ｃに取り付けるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１    ガス濃度検出装置
１Ａ  ガス濃度検出装置
２    ＥＣＵ（ガス濃度演算手段）
３    内燃機関
３ｄ  燃焼室
１０    点火プラグ
２４ａ  発光側の光ファイバの発光端部（放射部）
２５ａ  受光側の光ファイバの受光端部（受光部）
２６    ホルダ
２８    反射鏡（反射部）
３１    発光器（光源）
４１    無頭ねじ（間隔変更機構）
４２    ナット（間隔変更機構）
５１    長孔（間隔変更機構）
Ｃ    ガソリン濃度（所定成分の濃度）
Ｉ0   発光器が発光した赤外線レーザビームの強度（光源が発光した光の強度）
Ｉ    受光器により受光された赤外線レーザビームの強度（受光部により受光された          光の強度）
【図１】
2005233694.tif 000003
【図２】
2005233694.tif 000004
【図３】
2005233694.tif 000005
【図４】
2005233694.tif 000006
【図５】
2005233694.tif 000007
【図６】
2005233694.tif 000008
【図７】
2005233694.tif 000009
【図８】
2005233694.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月27日(2004.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室の点火プラグ付近における燃料ガス中の所定成分の濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃焼室の点火プラグ付近における混合気中のガソリン濃度を検出する内燃機関のガス濃度検出装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このガス濃度検出装置は、レーザ発光器、発光側および受光側の一対の光学素子、レーザ受光器およびコントローラなどを備えている。発光側および受光側の光学素子はいずれも、サファイアで構成され、点火プラグに一体に設けられている。また、これらの発光側および受光側の光学素子は、互いに対向しかつ間隔を存する状態で、点火プラグの下端面から外方に突出しているとともに、斜めにかつ面対称に配置された反射面をそれぞれ有している。
【０００３】
このガス濃度検出装置では、以下のように、点火プラグ付近の混合気中のガソリン濃度が検出される。すなわち、コントローラからの駆動信号によりレーザ発光器が駆動されると、レーザ発光器より、所定波長の赤外線レーザビームが放射される。この赤外線レーザビームは、点火プラグ内の光路を下向きに透過し、発光側の光学素子に入射した後、発光側の光学素子の反射面により、光路が受光側の光学素子に向かって直角に変更される。そして、赤外線レーザビームは、発光側の光学素子から燃焼室内に放射され、燃焼室内の混合気を透過した後、受光側の光学素子に入射する。その後、赤外線レーザビームは、発光側の光学素子の反射面により、光路が上向きに直角に変更され、点火プラグ内の光路を上向きに透過した後、レーザ受光器に入射し、これにより電気信号に変換され、コントローラに入力される。
【０００４】
その後、コントローラにより、レーザ発光器から放射された赤外線レーザビームの強度と、レーザ受光器に入射した赤外線レーザビームの強度との関係に基づいて、混合気ガス中のガソリン濃度が演算される。すなわち、ガソリン濃度は、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合い（透過率）に基づいて演算される。これは、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合いは、混合気中のガソリン濃度の高さにほぼ比例することに起因する。
【０００５】
【特許文献１】特許第２９２１３２５号公報（１〜２頁、図２，３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のガス濃度検出装置のような検出手法では、混合気中のガソリン濃度が、ガソリンによる赤外線レーザビームの吸収度合いに基づいて演算されるので、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な、発光側および受光側の光学素子間の距離、すなわち赤外線レーザビームの透過距離の最適値は、燃焼室内のガソリン濃度によって異なる値を示す。例えば、リーンバーン運転される内燃機関と、理論空燃比に近い空燃比で運転される内燃機関では、赤外線レーザビームの透過距離の最適値は、互いに異なる値を示す。しかしながら、上記従来のガス濃度検出装置によれば、発光側および受光側の光学素子がいずれも、点火プラグの下面から突出するように、これに一体に設けられているため、２つの光学素子間の距離は、点火プラグの径方向のサイズにより制限されてしまう。その結果、赤外線レーザビームの透過距離の最適値を確保できないことで、検出精度の低下を招くおそれがある。同じ理由により、２つの光学素子間の距離を変更する場合、点火プラグ自体を設計変更する必要があるため、製造コストの上昇を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、検出精度を向上させることができ、製造コストを削減することができる内燃機関のガス濃度検出装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関３の燃焼室３ｄの点火プラグ１０付近における燃料ガス中の所定成分（例えば実施形態におけるガソリン）の濃度を検出する内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａであって、所定の波長（３．３９μｍ）の光（赤外線レーザビーム）を発光する光源（発光器３１）と、光源からの光を燃焼室３ｄ内に向かって所定の向きに放射する放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）と、放射部と所定間隔を存して燃焼室３ｄ内の点火プラグ１０付近に配置され、放射部から放射された光を所定の角度で反射する反射部（反射鏡２８）と、反射部により反射された光を受光する受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）と、光源が発光した光の強度（発光器が発光した赤外線レーザビームの強度Ｉ0）と、受光部により受光された光の強度（受光器により受光された赤外線レーザビームの強度Ｉ）とに基づき、所定成分の濃度（ガソリン濃度Ｃ）を演算するガス濃度演算手段（ＥＣＵ２）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、光源が発光した所定の波長の光は、放射部により内燃機関の燃焼室に向かって所定の向きに放射され、反射部により所定角度で反射された後、受光部に受光される。この反射部は、放射部と所定間隔を存して燃焼室内の点火プラグ付近に配置されているので、放射部から放射された光は、放射部から反射部までの間、および反射部から受光部までの間にわたって、燃焼室内の点火プラグ付近の燃料ガス中を透過する。したがって、例えば、この光の所定の波長を、燃料ガス中の所定成分により吸収されるような適切な値に予め設定することによって、光源が発光した光の強度と、受光部により受光された光の強度とに基づき、燃焼室内の燃料ガス中の所定成分の濃度を適切に演算することができる。また、光が燃焼室内の燃料ガス内を透過する透過距離は、放射部と反射部との間の距離、および反射部と受光部との間の距離の和になるので、従来の２つの光学素子間のみの場合と比べて、光の透過距離をより長く確保することができる。それにより、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離が比較的、長い場合でも、それを適切に確保することができ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａにおいて、放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）、反射部（反射鏡２８）および受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）は、点火プラグ１０に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、放射部、反射部および受光部が、点火プラグに設けられているので、点火プラグを内燃機関に取り付けることによって、ガス濃度検出装置を内燃機関に容易に取り付けることができ、それにより、メンテナンス性を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１，１Ａにおいて、放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）および受光部（受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ）は、互いに隣接するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、放射部および受光部が、互いに隣接するように配置されているので、ガス濃度検出装置を小型化できる。特に、請求項２に係る発明のように、放射部、反射部および受光部が点火プラグに設けられている場合には、ガス濃度検出装置の燃焼室内に占める部分のサイズ、特に点火プラグの径方向におけるサイズを小さくすることができる。それにより、より小径の点火プラグにも適用可能になることで、商品性を向上させることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１において、反射部（反射鏡２８）を保持するとともに、点火プラグ１０に着脱自在に取り付けられたホルダ２６をさらに備えることを特徴とする。
【００１５】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、反射部を保持するホルダが、点火プラグに着脱自在に取り付けられているので、このホルダのサイズを変更し、付け替えるだけで、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離を、容易に確保することができる。これにより、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３のガス濃度検出装置１Ａにおいて、反射部（反射鏡２８）と放射部（発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ）との間の所定間隔を変更する間隔変更機構（無頭ねじ４１、ナット４２、長孔５１）をさらに備えることを特徴とする。
【００１７】
この内燃機関のガス濃度検出装置によれば、間隔変更機構により反射部と放射部との所定間隔を自在に変更することができるので、燃料ガス中の所定成分の濃度を検出するのに最適な光の透過距離を、容易に確保することができる。それにより、１種類のガス濃度検出装置を、運転中の混合気濃度が異なる様々なタイプの内燃機関に適用することができるので、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置について説明する。このガス濃度検出装置は、以下に述べるように、赤外線レーザビームを用いることにより、内燃機関の吸気行程における点火プラグ付近の混合気中のガソリン濃度（すなわち炭化水素の濃度、所定成分の濃度）を検出するものである。図１に示すように、ガス濃度検出装置１は、ＥＣＵ２およびガス濃度センサ２０（図２，３参照）を備えている。
【００１９】
このＥＣＵ２（ガス濃度演算手段）は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭ（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、後述するように、ガス濃度センサ２０における発光時および受光時の赤外線レーザビームの強度に基づき、内燃機関（以下「エンジン」という）３の燃焼室３ｄ内の点火プラグ１０付近における混合気中のガソリン濃度を演算するとともに、点火制御および燃料噴射制御などの各種の制御処理を実行する。
【００２０】
エンジン３は、直列多気筒タイプのガソリンエンジンであり、シリンダ３ａおよびピストン３ｂ（ともに１つのみ図示）を備えている。シリンダ３ａのシリンダヘッド３ｃ内には、燃焼室３ｄが形成されている。
【００２１】
また、シリンダヘッド３ｃには、吸気弁４および排気弁６が設けられている。この吸気弁４は、図示しないカムシャフトの回転に伴って吸気通路５の吸気ポートを開閉するものであり、この吸気弁４の開弁により、空気が吸気通路５を介して燃焼室３ｄ内に吸入される。また、排気弁６は、図示しないカムシャフトの回転に伴って排気通路７の排気ポートを開閉するものであり、この排気弁６の開弁により、燃焼室３ｄ内の燃焼ガスが排気通路７側に排出される。
【００２２】
さらに、シリンダヘッド３ｃには、燃焼室３ｄに臨むように燃料噴射弁８が取り付けられている。エンジン３の運転中、ＥＣＵ２からの駆動信号が燃料噴射弁８に供給され、それにより、燃料（ガソリン）が燃料噴射弁８を介して燃焼室３ｄ内に直接噴射されるとともに、燃料噴射弁８の燃料噴射量すなわち開弁時期が制御される。このように、エンジン３は、いわゆる直噴式エンジンとして構成されている。
【００２３】
また、シリンダヘッド３ｃには、点火プラグ１０が着脱自在に取り付けられている。この点火プラグ１０は、点火コイル９を介してＥＣＵ２に接続されており、図２に示すように、その下端部に中心電極１１および接地電極１２を備えている。これらの中心電極１１および接地電極１２は、互いの間に所定の間隙を存する状態で設けられている。エンジン３の運転中、点火プラグ１０の中心電極１１は、ＥＣＵ２により点火コイル９を介して高電圧が加えられることで放電し、接地電極１２との間に火花を発生させ、それにより、燃焼室３ｄ内の混合気を燃焼させる。
【００２４】
さらに、点火プラグ１０には、前述したガス濃度センサ２０が設けられている。図２および図３（ａ）（ｂ）に示すように、ガス濃度センサ２０は、中空の円筒状のケーブルケース２１と、このケーブルケース２１内に収容された光ファイバケーブル２２と、ケーブルケース２１の下端部に着脱自在に取り付けられたホルダ２６などを備えている。なお、図２および図３（ａ）では、理解の容易化のために、断面部分のハッチングは適宜、省略されており、この点は、以下の説明で引用する図においても同様である。
【００２５】
ケーブルケース２１は、耐熱性を有する金属（例えばステンレス）で構成され、点火プラグ１０に気密状態で内蔵され、点火プラグ１０内を上下方向に貫通して延びるとともに、その上下端が点火プラグ１０の外方に臨んで開口している。ケーブルケース２１は、一定径の主部２１ａと、その下端から下方に延びる取付部２１ｂとを備えている。この取付部２１ｂの内径および外径は、主部２１ａと比べて小径に形成されている。
【００２６】
光ファイバケーブル２２は、ケーブルケース２１の主部２１ａに気密状態で収容され、主部２１ａの全体にわたって延びているとともに、点火プラグ１０より外方に延びる部分は、２本の光ファイバケーブル２２ａ，２２ｂに分岐している。これらの光ファイバケーブル２２ａ，２２ｂの先端部は、後述する発光器３１および受光器３２にそれぞれ接続されている。
【００２７】
また、光ファイバケーブル２２は、保護層２３と、その中心部に内蔵された発光側および受光側の光ファイバ２４，２５とを備えている。保護層２３は、発光側および受光側の光ファイバ２４，２５を保護するためのものであり、耐熱性を有する材質（例えば、ステンレスまたはジルコニアセラミックスなど）で構成されている。また、発光側および受光側の光ファイバ２４，２５は、耐熱性を有する石英系ファイバで構成されている。
【００２８】
発光側の光ファイバ２４は、光ファイバケーブル２２，２２ａ内を延びており、その燃焼室３ｄ側の端部（以下「発光端部」という）２４ａが、ケーブルケース２１の取付部２１ｂの内孔に臨んでいるとともに、発光端部２４ａと反対側の端部が、発光器３１に接続されている。また、受光側の光ファイバ２５は、光ファイバケーブル２２，２２ｂ内を延びているとともに、光ファイバケーブル２２内では、発光側の光ファイバ２４と隣接するように配置されている。さらに、受光側の光ファイバ２５は、その燃焼室３ｄ側の端部（以下「受光端部」という）２５ａが、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａと隣接する状態で、取付部２１ｂの内孔に臨んでいるとともに、受光端部２５ａと反対側の端部が、受光器３２に接続されている。
【００２９】
一方、ホルダ２６は、中空の円筒状に形成された有底のものであり、その上半部は、サファイア２７を内部に保持するサファイアホルダ２６ａになっているとともに、その下半部は、サファイアホルダ２６ａと一体の、反射鏡２８（反射部）を内部に保持する反射鏡ホルダ２６ｂになっている。
【００３０】
このサファイアホルダ２６ａの内孔には、ケーブルケース２１の取付部２１ｂが嵌合しており、この取付部２１ｂの嵌合部分には、２つの雌ねじ穴が形成されている。これらの雌ねじ穴には、ねじ２９，２９がサファイアホルダ２６ａを貫通した状態でねじ込まれ、締め付けられている。これにより、サファイアホルダ２６ａは、ねじ２９，２９を介して取付部２１ｂに着脱自在に取り付けられており、メンテナンス時などには、ねじ２９，２９を外すことにより、ホルダ２６がケーブルケース２１から取り外される。また、サファイアホルダ２６ａの内壁の下端部には、内側に突出するように、円環状の段部２６ｃが形成されている。
【００３１】
また、サファイア２７は、２本の光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａ（放射部）および受光端部２５ａ（受光部）を保護するためのものであり、円柱状に形成されている。このサファイア２７の上端面と取付部２１ｂの下端面との間、およびサファイア２７の下端面と段部２６ｃの上面との間には、ワッシャ３０，３０が上下方向に圧縮された状態でそれぞれ収容されている。これらのワッシャ３０，３０は、耐熱性を有する材質（例えば銅）で構成されており、これらのワッシャ３０，３０のシール性により、光ファイバケーブル２２、サファイア２７およびサファイアホルダ２６ａにより形成される内部空間は、燃焼室３ｄに対して気密な状態に保持されている。すなわち、２本の光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａおよび受光端部２５ａは、燃焼室３ｄ内の混合気に直接さらされないように構成されている。
【００３２】
一方、反射鏡ホルダ２６ｂは、電極１１，１２側に向かって開口する検出穴２６ｄを有している。この検出穴２６ｄは、ほぼ半円筒形に形成されており、燃焼室３ｄ内の電極１１，１２付近の混合気は、この検出穴２６ｄを介して反射鏡ホルダ２６ｂ内に導入される。また、反射鏡２８は、円盤状で、反射鏡ホルダ２６ｂの下半部に収容されており、光ファイバ２４，２５の発光端部２４ａおよび受光端部２５ａに対向する位置に、これらとの間に所定間隔を存して配置されている。反射鏡２８は、その上面が下方に向かって凹のほぼ球面状の反射面２８ａになっており、この反射面２８ａにより、発光端部２４ａから放射された赤外線レーザビームは、受光端部２５ａに向かって、極めて小さい所定の反射角（≒０゜）で反射される。
【００３３】
また、前述した発光器３１（光源）は、Ｈｅ−Ｎｅレーザで構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２からの駆動信号で駆動されることにより、波長３．３９μｍの赤外線レーザビームを所定強度Ｉ0で発光側の光ファイバ２４に放射する。
【００３４】
さらに、受光器３２は、光電変換回路およびバンドパスフィルタ（いずれも図示せず）などで構成され、ＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、受光側の光ファイバ２５からの赤外線レーザビームを受光し、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。
【００３５】
次に、以上のようなガス濃度検出装置１の検出動作およびその検出原理について、説明する。エンジン３の運転中、吸気行程で、吸気弁４および燃料噴射弁８の開弁により、混合気が燃焼室３ｄ内に生成されると、ＥＣＵ２により発光器３１が駆動され、波長３．３９μｍで所定強度Ｉ0の赤外線レーザビームが、発光器３１から発光側の光ファイバ２４側に放射される。
【００３６】
この赤外線レーザビームは、発光側の光ファイバ２４を透過し、その発光端部２４ａから燃焼室３ｄ内の反射鏡２８に向かって放射され、サファイア２７を透過し、反射鏡２８の反射面２８ａに到達する。その際、サファイア２７と反射鏡２８との間には、燃焼室３ｄ内の混合気が検出穴２６ｄから入り込んだ状態になっているので、赤外線レーザビームは混合気内を透過する。
【００３７】
次いで、赤外線レーザビームは、反射面２８ａにより受光側の光ファイバ２５側に向かって反射され、混合気内を再度、透過する。さらに、赤外線レーザビームは、サファイア２７を透過し、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａから光ファイバ２５内に入射した後、これを介して受光器３２に到達する。そして、受光器３２は、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉを表す検出信号を、ＥＣＵ２に出力する。
【００３８】
ＥＣＵ２は、発光器３１が発光したときの赤外線レーザビームの所定強度Ｉ0に対する、受光した赤外線レーザビームの強度Ｉの比（すなわち透過率）Ｉ／Ｉ0に基づき、下式により、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を演算する。
ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ0）＝−ε・Ｌ・Ｃ
ここで、εはモル吸光係数を、Ｌは赤外線レーザビームの混合気の透過距離を、Ｃは混合気中のガソリン濃度をそれぞれ表している。なお、本実施形態のガス濃度検出装置１の場合、透過距離Ｌは、図３（ａ）に示す、サファイア２７の下端面と反射面２８ａの中心部との間の距離Ｌｃのほぼ２倍の値（２・Ｌｃ≒Ｌ）に相当する。
【００３９】
図４は、エンジン３が所定の運転状態（回転数が１５００ｒｐｍ、吸気管内圧が−４００ｈＰａ）にある場合において、以上のようなガス濃度検出装置１により、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を検出するとともに、その検出結果に基づいて演算された混合気の空燃比（図４では「混合気Ａ／Ｆ」と表記）と、排気ガス分析計により検出された排気ガスの空燃比（図４では「排気ガスＡ／Ｆ」と表記）との関係を表したものである。同図を参照すると明らかなように、混合気の空燃比は、排気ガスの空燃比とほぼ同じ値を示しており、本実施形態のガス濃度検出装置１により、燃焼室３ｄ内の実際の混合気中のガソリン濃度が精度よく検出されていることが判る。すなわち、ガス濃度検出装置１が高い検出精度を備えていることが実証された。
【００４０】
以上のように、本実施形態のガス濃度検出装置１によれば、赤外線レーザビームが燃焼室３ｄ内の混合気を透過する透過距離Ｌは、サファイア２７と反射鏡２８との間の距離のほぼ２倍の値（２・Ｌｃ≒Ｌ）になるので、従来の２つの光学素子間のみの場合と比べて、透過距離Ｌをより長く確保することができる。それにより、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な赤外線レーザビームの透過距離が比較的、長い場合でも、それを適切に確保することができ、検出精度を向上させることができる。
【００４１】
また、発光側の光ファイバ２４、受光側の光ファイバ２５および反射鏡２８がいずれも、点火プラグ１０に取り付けられているので、点火プラグ１０をエンジン３に取り付けるだけで、ガス濃度検出装置１をエンジン３に容易に取り付けることができ、それにより、メンテナンス性を向上させることができる。
【００４２】
さらに、発光側の光ファイバ２４および受光側の光ファイバ２５が、互いに隣接するように点火プラグ１０内に配置されているとともに、これらに対向する位置に反射鏡２８が配置されているので、ガス濃度検出装置１の燃焼室３ｄ内に占める部分のサイズ、特に点火プラグ１０の径方向におけるサイズを小さくすることができる。それにより、より小径の点火プラグ１０にも適用可能になることで、商品性を向上させることができる。
【００４３】
また、ねじ２９，２９の取り外し・取り付けにより、ホルダ２６を点火プラグ１０から着脱できるので、検出すべきエンジン３の混合気中のガソリン濃度に応じて、ホルダ２６を適切な長さのものに付け替えるだけで、反射鏡２８とサファイア２７との間の距離、すなわち透過距離Ｌを、ガソリン濃度の検出に最適な値に容易に変更することができる。これにより、点火プラグ自体を設計変更する従来の場合と比べて、製造コストを削減することができる。
【００４４】
次に、本願発明の第２実施形態に係るガス濃度検出装置について説明する。図５および図６に示すように、本実施形態のガス濃度検出装置１Ａは、第１実施形態のガス濃度検出装置１と比べて、ガス濃度センサ２０の一部が若干、異なっており、それ以外は、第１実施形態のガス濃度検出装置１と同様に構成されているので、以下、ガス濃度センサ２０の異なる部分を中心に説明する。なお、第１実施形態のガス濃度検出装置１と同様の構成については、同じ符号を付すとともに、その説明は省略する。
【００４５】
このガス濃度センサ２０は、サファイアホルダ４０と、これと別体の反射鏡ホルダ５０とを備えている。サファイアホルダ４０は、前述したサファイアホルダ２６ａと同様に、中空の円筒状に形成され、その内部にサファイア２７を保持している。このサファイアホルダ４０の下端部には、無頭ねじ４１が一体に設けられており、この無頭ねじ４１は、サファイアホルダ４０の外周面から所定長さ分、横方向に突出している。
【００４６】
また、反射鏡ホルダ５０は、中空の円筒状に形成された有底のものであり、前述した反射鏡ホルダ２６ｂと同様に、その下半部の内部に反射鏡２８を保持している。この反射鏡ホルダ５０は、上下方向に延びる長孔５１と、混合気を反射鏡２８側に導入するための検出穴５２とを備えている。
【００４７】
反射鏡ホルダ５０の内孔には、サファイアホルダ４０が嵌合している。さらに、反射鏡ホルダ５０の長孔５１には、サファイアホルダ４０の無頭ねじ４１が係合しており、この無頭ねじ４１は、反射鏡ホルダ５０の長孔５１から外方に突出しているとともに、その突出部分に、ナット４２が締め付け状態で取り付けられている。これにより、反射鏡ホルダ５０は、サファイアホルダ４０に固定されている。なお、本実施形態では、無頭ねじ４１、ナット４２および長孔５１により、間隔変更機構が構成されている。
【００４８】
以上の構成により、本実施形態のガス濃度検出装置１Ａによれば、ナット４２の締め付けを緩めることによって、反射鏡ホルダ５０を、サファイアホルダ４０に対して、無頭ねじ４１が長孔５１の上縁部に当接する最下位置（図６（ａ）に示す位置）と、長孔５１の下縁部に当接する最上位置（図６（ｂ）に示す位置）との間で、上下方向にスライドさせることができる。また、これらの最下位置と最上位置との間の任意の位置で、ナット４２を再度、締め付けることによって、反射鏡ホルダ５０をサファイアホルダ４０に位置決めし、固定することができる。その結果、赤外線レーザビームの透過距離Ｌを、図６（ａ）に示す、サファイア２７と反射鏡２８との間の距離Ｌｍａｘのほぼ２倍の値（２・Ｌｍａｘ）と、図６（ｂ）に示す距離Ｌｍｉｎのほぼ２倍の値（２・Ｌｍｉｎ）との間で、無段階に自在に変更することができる。これにより、混合気中のガソリン濃度を検出するのに最適な透過距離Ｌを容易に確保できるとともに、１種類のガス濃度検出装置１Ａを、混合気中のガソリン濃度が異なる様々なタイプの内燃機関３に適用することができる。その結果、第１実施形態のガス濃度検出装置１よりも、製造コストを削減することができる。
【００４９】
なお、第２実施形態は、間隔変更機構を、無頭ねじ４１、ナット４２および長孔５１により構成した例であるが、間隔変更機構はこれに限らず、反射鏡２８とサファイア２７との間の間隔、すなわち透過距離を変更可能なものであればよい。例えば、間隔変更機構として、ＥＣＵ２により制御されるアクチュエータ（油圧式または電気式のもの）を備え、このアクチュエータにより、サファイアホルダ４０に対する、反射鏡ホルダ５０の上下方向の位置関係を変更するタイプのものを用いてもよい。このようにすれば、エンジン運転中、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度が変化した場合でも、その変化したガソリン濃度を検出するのに最適な赤外線レーザビームの透過距離を適切に確保することができる。
【００５０】
また、以上の各実施形態は、発光器３１としてＨｅ−Ｎｅレーザを用いた例であるが、発光器３１はこれに限らず、赤外線レーザビームを放射するものであればよい。例えば、発光器３１として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ以外の気体レーザ（例えばＣＯ2レーザ）、半導体レーザ（例えばPbSnTe）およびＹＡＧレーザなどを用いてもよい。
【００５１】
さらに、発光器３１から放射される赤外線レーザビームの波長は、実施形態の３．３９μｍに限らず、赤外線レーザビームが燃焼室３ｄ内を透過する際、ガソリンにより吸収されるような波長域のものであればよい。例えば、赤外線レーザビームとして、１．６μｍ付近、２．３μｍ付近および７．６μｍ付近の波長のものを用いてもよい。さらに、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度の検出に用いる光は、赤外線レーザビームに限らず、燃焼室３ｄ内の混合気中のガソリン濃度を検出できるものであればよい。例えば、２６０ｎｍ付近の波長の紫外線を用いてもよい。
【００５２】
また、各実施形態は、ガス濃度検出装置１をガソリンエンジンにおける混合気中のガソリン濃度の検出に適用した例であるが、本発明のガス濃度検出装置１はこれに限らず、点火プラグにより燃料ガスを燃焼させる内燃機関における、燃料ガス内の所定成分の検出に適用可能である。例えば、ＬＰＧおよびアルコール系燃料を燃料とする内燃機関における、燃料ガス内の炭化水素の濃度の検出に用いてもよい。
【００５３】
さらに、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａおよび反射鏡２８の配置は、実施形態の例に限らないことは言うまでもない。例えば、図７に示すように、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａおよび受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａを、点火プラグ１０の下端部の左右両端部に配置するとともに、反射鏡２８を、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａからの赤外線レーザビームが受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａ側に反射されるように配置してもよい。また、図８に示すように、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａ、受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａおよび反射鏡２８を、平面的に見て三角形を描くように配置してもよい。この場合には、発光側の光ファイバ２４の発光端部２４ａおよび受光側の光ファイバ２５の受光端部２５ａに、光路を変更するための反射鏡を設ければよい。
【００５４】
また、実施形態は、ガス濃度センサ２０を点火プラグ１０に取り付けた例であるが、ガス濃度センサ２０の取付位置はこれに限らず、点火プラグ１０付近の混合気中のガソリン濃度を検出可能な位置であればよい。例えば、ガス濃度センサ２０を、点火プラグ１０と別体に構成し、シリンダヘッド３ｃに取り付けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス濃度検出装置およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。
【図２】ガス濃度センサおよび点火プラグの概略構成を示す断面図である。
【図３】ガス濃度センサの先端部付近の概略構成を示す（ａ）断面図と（ｂ）正面図である。
【図４】ガス濃度検出装置の検出結果に基づいて算出された混合気の空燃比と、排気ガス分析計により検出された排気ガスの空燃比との関係の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係るガス濃度検出装置におけるガス濃度センサの先端部付近の概略構成を示す（ａ）正面図と（ｂ）側面図である。
【図６】（ａ）第２実施形態のガス濃度センサにおける赤外線レーザビームの透過距離を最大値に設定した状態を示す断面図と（ｂ）透過距離を最小値に設定した状態を示す断面図である。
【図７】ガス濃度検出装置における、発光側の光ファイバの発光端部、受光側の光ファイバの受光端部および反射鏡の配置の変形例を示す図である。
【図８】ガス濃度検出装置における、発光側の光ファイバの発光端部、受光側の光ファイバの受光端部および反射鏡の配置の他の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    ガス濃度検出装置
１Ａ  ガス濃度検出装置
２    ＥＣＵ（ガス濃度演算手段）
３    内燃機関
３ｄ  燃焼室
１０    点火プラグ
２４ａ  発光側の光ファイバの発光端部（放射部）
２５ａ  受光側の光ファイバの受光端部（受光部）
２６    ホルダ
２８    反射鏡（反射部）
３１    発光器（光源）
４１    無頭ねじ（間隔変更機構）
４２    ナット（間隔変更機構）
５１    長孔（間隔変更機構）
Ｃ    ガソリン濃度（所定成分の濃度）
Ｉ0   発光器が発光した赤外線レーザビームの強度（光源が発光した光の強度）
Ｉ    受光器により受光された赤外線レーザビームの強度（受光部により受光された          光の強度）