(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置において、プレイグニッション等の異常燃焼を誘発させることなく、所定成分の濃度を正確に検出することを課題とする。【解決手段】本発明は、赤外線を照射する発光部、発光部から照射された赤外線を反射する反射部、及び反射部によって反射された赤外線を受光する受光部を点火プラグに取り付け、発光部から照射される赤外線の強度と受光部に入光する赤外線の強度との関係に基づいて燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を特定する燃焼室内のガス濃度検出装置であって、前記反射部が第一反射部と第二反射部とを有し、発光部から発光された赤外線が第一反射部、第二反射部、及び第一反射部を順次経て受光部へ入光するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を照射する発光部、前記発光部から照射された赤外線を反射する反射部、及び前記反射部によって反射された赤外線を受光する受光部を点火プラグに取り付け、前記発光部から照射される赤外線の強度と前記受光部に入光する赤外線の強度との関係に基づいて、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を特定する燃焼室内のガス濃度検出装置であって、
前記反射部は、第一反射部と第二反射部とを有し、
前記第二反射部は、前記第一反射部によって反射された赤外線を前記第一反射部へ向けて反射するように配置され、
前記第一反射部は、前記発光部から照射された赤外線を前記第二反射部へ向けて反射させ、且つ、前記第二反射部によって反射された赤外線を前記受光部へ向けて反射するように配置されることを特徴とする燃焼室内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、内燃機関の点火プラグに取り付けられ、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室における点火プラグ近傍のガスに含まれる燃料の濃度を検出する装置として、赤外線を照射する発光部、発光部から照射された赤外線を反射する反射鏡、及び反射鏡によって反射された赤外線を受光する受光部を点火プラグに取り付け、発光部から照射される赤外線の強度と受光部に入光する赤外線の強度との比率に基づいて、燃料濃度を特定するガス濃度検出装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２３３６９４号公報
【特許文献２】特開２００３−０１４６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、理論空燃比より高いリーン空燃比の混合気を使用して運転可能な内燃機関においては、燃料濃度が低くなり、又は燃料の密度が小さくなるため、発光部から照射される赤外線の強度と受光部に入光する赤外線の強度との差（減衰量）が小さくなる。その結果、燃料の濃度を正確に検出することができない可能性がある。
【０００５】
上記した問題に対し、発光部から受光部へ至る光路長を長くして、前記減衰量を大きくすることで、燃料濃度が低い場合の検出精度を高める方法が考えられる。しかしながら、発光部から受光部へ至る光路長を長くしようとすると、反射鏡を点火プラグから離間した位置に配置する必要があるため、反射鏡が燃焼室内へ大きく突出してしまう。反射鏡が燃焼室内へ大きく突出すると、反射鏡が混合気の燃焼熱等を受けて高温となった際に、点火プラグが作動する前に、反射鏡に付着した燃料やデポジット等を火種として着火（プレイグニッション）する等の異常燃焼を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置において、プレイグニッション等の異常燃焼を誘発させることなく、所定成分の濃度を正確に検出することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、赤外線を照射する発光部、前記発光部から照射された赤外線を反射する反射部、及び前記反射部によって反射された赤外線を受光する受光部を点火プラグに取り付け、前記発光部から照射される赤外線の強度と前記受光部に入光する赤外線の強度との関係に基づいて、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を特定する燃焼室内のガス濃度検出装置であって、
前記反射部は、第一反射部と第二反射部とを有し、
前記第二反射部は、前記第一反射部によって反射された赤外線を前記第一反射部へ向けて反射するように配置され、
前記第一反射部は、前記発光部から照射された赤外線を前記第二反射部へ向けて反射さ
せ、且つ、前記第二反射部によって反射された赤外線を前記受光部へ向けて反射するように配置されるようにした。
【０００８】
このように構成された燃焼室内のガス濃度検出装置によると、発光部から照射された赤外線は、第一反射部、第二反射部、第一反射部を順次経て受光部に入光する。そのため、第一反射部や第二反射部を点火プラグから燃焼室内へ向けて大きく突出させることなく、発光部から受光部に至る光路長を長くすることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃焼室内のガスに含まれる所定成分の濃度を検出するガス濃度検出装置において、プレイグニッション等の異常燃焼を誘発させることなく、所定成分の濃度を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明を適用する内燃機関の燃焼室周辺の概略構成を示す図である。
【図２】点火プラグの先端部の概略構成を示す図である。
【図３】第一反射鏡と第二反射鏡の配置を説明するための図である。
【図４】第一反射鏡を点火プラグの接地電極に配置する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１２】
図１は、本発明を適用する内燃機関の燃焼室周辺の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関である。ここでは、燃焼室内のガスに含まれるガソリンの濃度を検出する例について述べる。
【００１３】
図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂとを備えている。シリンダブロック１ａには、円柱状の気筒２が形成され、該気筒２内にピストン３が摺動自在に収容されている。一方、シリンダヘッド１ｂには、点火プラグ４、吸気弁５、排気弁６等が取り付けられている。
【００１４】
点火プラグ４には、気筒２内（燃焼室内）のガスに含まれる燃料の濃度を検出するためのガス濃度検出装置７が取り付けられている。ここで、ガス濃度検出装置７の構成について図２に基づいて説明する。図２は、点火プラグ４の先端部の概略構成を示す図である。
【００１５】
図２において、点火プラグ４の主体金具４０の先端面には、略Ｌ字型の接地電極４１が突設されている。前記主体金具４０の先端面における前記接地電極４１と対向する部位には、中心電極４２が配置されている。また、点火プラグ４には、前述したように、ガス濃度検出装置７が取り付けられている。ガス濃度検出装置７は、発光用ケーブル７１と、受光用ケーブル７２と、発光器７４と、受光器７５と、第一反射鏡７６と、第二反射鏡７７と、を備えている。
【００１６】
前記発光用ケーブル７１は、耐熱性の金属ケースで覆われた光ファイバーケーブルであり、その先端側の一部が前記主体金具４０の内部を通って前記主体金具４０の先端面に至っている。前記受光用ケーブル７２も同様に、耐熱性の金属ケースで覆われた光ファイバーケーブルであり、その先端側の一部が前記主体金具４０の内部を通って前記主体金具４０の先端面に至っている。
【００１７】
前記発光用ケーブル７１の先端面と前記受光用ケーブル７２の先端面とは、耐熱性の保護窓７３によって覆われ、気筒２内で混合気が燃焼した際に発生する火炎が直接接触しないようになっている。前記保護窓７３は、発光用ケーブル７１の先端面及び受光用ケーブル７２の先端面を気密な状態に保つため、ロウ付け等によって前記主体金具４０に固定されている。
【００１８】
前記発光用ケーブル７１の基端は、前記発光器７４に接続されている。前記発光器７４は、Ｈｅ−Ｎｅレーザで構成され、ＥＣＵ８からの信号で駆動されることにより、所定の波長（ガソリンが吸収する波長であって、例えば、３．３９μｍ）の赤外線を発光用ケーブル７１に放射するように構成されている。
【００１９】
一方、前記受光用ケーブル７２の基端は、前記受光器７５に接続されている。前記受光器７５は、光電変換回路及びバンドパスフィルタ等を具備し、受光用ケーブル７２から受光した赤外線の強度に相関する電気信号を出力するように構成されている。この受光器７５の出力信号は、ＥＣＵ８に入力されるようになっている。
【００２０】
ここで、前記発光用ケーブル７１及び前記発光器７４は、本発明に係わる「発光部」に相当する。前記受光用ケーブル７２及び前記受光器７５は、本発明に係わる「受光部」に相当する。
【００２１】
次に、前記第一反射鏡７６は、前記主体金具４０の先端面における前記保護窓７３の近傍に突設された略Ｌ字型の支柱４３の先端部に取り付けられている。その際、前記第一反射鏡７６は、その反射面が前記主体金具４０の先端面に臨むように取り付けられるものとする。また、前記第二反射鏡７７は、前記主体金具４０の先端面における前記保護窓７３の近傍には、窪み４４が形成され、該窪み４４に第二反射鏡７７が取り付けられている。前記第一反射鏡７６及び前記第二反射鏡７７は、基材の表面に鏡を固定したものであってもよく、又は基材の表面を鏡面加工したものであってもよい。また、前記第一反射鏡７６及び前記第二反射鏡７７は、プリズムミラーであってもよい。
【００２２】
ここで、図３に示すように、前記発光用ケーブル７１の先端面から照射される赤外線が前記第一反射鏡７６に至る光路Ｌ１と、前記第一反射鏡７６で反射された赤外線が前記第二反射鏡７７に至る光路Ｌ２とのなす角度をθとした場合に、前記第一反射鏡７６に平行な仮想直線Ｌ３と前記発光用ケーブル７１の先端面に平行な仮想直線Ｌ４とのなす角度がθ／２となるように、前記第一反射鏡７６及び前記第二反射鏡７７が配置されるものとする。このように配置される第一反射鏡７６と第二反射鏡７７は、本発明に係わる「第一反射部」と「第二反射部」に各々相当する。
【００２３】
以下、ガス濃度検出装置７の動作について説明する。ＥＣＵ８は、気筒２内に混合気が生成されたときに、前記発光器７４を作動させる。前記発光器７４は、前記所定の波長の赤外線を前記発光用ケーブル７１に放射する。前記発光器７４から放射された赤外線は、前記発光用ケーブル７１を透過し、該発光用ケーブル７１の先端面から気筒２内に露出した前記第一反射鏡７６へ向けて照射される。前記発光用ケーブル７１の先端面から照射された赤外線は、気筒２内の混合気を透過しつつ、前述の図３中Ｌ１に沿って進み、前記第一反射鏡７６に到達する。
【００２４】
前記第一反射鏡７６に到達した赤外線は、前記第一反射鏡７６の反射面により、前記第二反射鏡７７に向けて反射される。前記第一反射鏡７６の反射面によって反射された赤外線は、再び混合気を透過しつつ、前述の図３中Ｌ２に沿って進み、前記第二反射鏡７７に到達する。前記第二反射鏡７７に到達した赤外線は、前記第二反射鏡７７の反射面により、前記第一反射鏡７６に向けて反射される。前記第二反射鏡７７の反射面によって反射さ
れた赤外線は、再び混合気を透過して前記第一反射鏡７６に到達する。そして、前記第一反射鏡７６に到達した赤外線は、前記第一反射鏡７６の反射面によって再度反射されて、前記受光用ケーブル７２の先端面へ向かう。前記第一反射鏡７６によって再度反射された赤外線は、再び混合気を透過して、前記受光用ケーブル７２の先端面に入光する。前記受光用ケーブル７２に入光した赤外線は、該受光用ケーブル７２を透過して前記受光器７５に入光する。その際、前記受光器７５は、入光した赤外線の強度に相関する電気信号をＥＣＵ８に出力する。
【００２５】
ＥＣＵ８は、前記受光器７５の出力信号を入力すると、前記発光器７４から発光される赤外線の強度と前記受光器７５が受光した赤外線の強度との比に基づいて、点火プラグ４近傍における混合気のガソリン濃度を演算する。具体的には、ＥＣＵ８は、以下の式に従ってガソリン濃度を演算する。
Ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ０）＝−ε・Ｌ・Ｃ
【００２６】
前記式において、“Ｉ”は前記発光器７４から発光される赤外線の強度を示し、“Ｉ０”は前記受光器７５が受光した赤外線の強度を示す。また、前記式において、“ε”はモル吸光係数を示し、“Ｌ”はガス透過距離を示し、“Ｃ”は混合気中のガソリン濃度を示す。
【００２７】
以上述べたガス濃度検出装置７によると、発光用ケーブル７１の先端面から照射された赤外線は、第一反射鏡７６、第二反射鏡７７、第一反射鏡７６を順次経て受光用ケーブル７２の先端面に入光することになるため、第一反射鏡７６や第二反射鏡７７を主体金具４０の先端面から気筒２内へ向けて大きく突出させることなく、混合気を透過する距離（光路長）を長くすることができる。
【００２８】
よって、内燃機関１が理論空燃比より高いリーン空燃比の混合気を使用して運転されるものであっても、プレイグニッション等の異常燃焼を誘発させることなく、混合気に含まれるガソリンの濃度を正確に検出することができる。
【００２９】
本実施例では、ガソリンを燃料とする内燃機関に本発明を適用し、燃焼室内のガスに含まれるガソリンの濃度を検出する例について述べたが、燃焼室内のガスに含まれる燃料以外の成分（例えば、オイル成分や不活性ガス成分等）の濃度を検出することも可能である。また、アルコールや圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を燃料とする内燃機関に本発明を適用する場合においては、燃焼室内のガスに含まれるアルコールやＣＮＧの濃度を検出することも可能である。上記したようにガソリン以外の成分の濃度を検出する場合は、検出対象の成分が吸収可能な波長の減衰量を検出可能なように、受光器が感応する波長域を調整すればよい。
【００３０】
＜他の実施例＞
前述の実施例では、第一反射鏡７６が支柱４３の先端部に取り付けられる例について述べたが、図４に示すように、第一反射鏡７６が接地電極４１に取り付けられてもよい。ただし、中心電極４２の軸方向に対して、第一反射鏡７６の反射面が垂直に配置されると、中心電極４２からの放電が第一反射鏡７６の反射面に接地し、第一反射鏡７６の反射面を劣化させる可能性がある。
【００３１】
そこで、第一反射鏡７６を接地電極４１に取り付ける場合は、中心電極４２の軸方向に対して第一反射鏡７６の反射面が斜めに配置されることが望ましい。その場合は、中心電極４２からの放電が第一反射鏡７６の角部に接地し、反射面へ接地し難くなる。
【符号の説明】
【００３２】
１     内燃機関
４     点火プラグ
７     ガス濃度検出装置
４０   主体金具
４１   接地電極
４２   中心電極
４３   支柱
７１   発光用ケーブル
７２   受光用ケーブル
７３   保護窓
７４   発光器
７５   受光器
７６   第一反射鏡
７７   第二反射鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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