(57)【要約】【課題】計測精度の確保と低コストとを両立した内燃機関用ガス濃度計測装置を提供する。【解決手段】反射部２１は、ガスとの境界面に形成される酸化／腐食防止膜２６、及び酸化／腐食防止膜２６と本体２５との間に形成される密着層２７を有し、本体２５にステンレス或いはニッケル合金が用いられ、酸化／腐食防止膜２６にSiO2或いはPtが用いられ、密着層２７にTi或いはCrが用いられる。これにより、反射部２１の反射率の低下が抑止され、ガス濃度の計測精度を確保することができる。また、本体２５に酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７を成膜して反射部２１を製造するだけで実施可能であり、構造、制御等が複雑化することがない。よって、計測精度の確保と低コストとを両立することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発せられた光を燃焼室内に向けて一方向へ放射する放射部と、
前記放射部から放射された光を反射する反射部と、
前記反射部により反射された光を受ける受光部と、
前記受光部により受けられた光の強度を測定する光強度測定部と、
を備え、
前記放射部から放射される光の強度と前記光強度測定部の測定結果とに基づき、前記燃焼室内のガス濃度を計測する内燃機関用ガス濃度計測装置であって、
前記反射部は、本体と、ガスとの境界面を形成する酸化／腐食防止膜と、前記本体と前記酸化／腐食防止膜との間に形成される密着層と、を有し、
前記本体には、ステンレス或いはニッケル合金が用いられ、
前記酸化／腐食防止膜には、SiO2或いはPtが用いられ、
前記密着層には、Ti或いはCrが用いられることを特徴とする内燃機関用ガス濃度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非分散赤外吸収法により内燃機関の燃焼室のガス濃度を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、非分散赤外吸収法を適用して内燃機関の燃焼室のガス濃度を計測する装置が開示されている。当該装置は、燃焼室内でレーザ光の出射位置及び入射位置として使用される光学ロッドの汚れを検出すると、プリズムを回転させてレーザ光の出射位置及び入射位置を移動させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１４３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された装置は、プリズム、及び当該プリズムを駆動するモータが必要であり、構造及び制御の複雑化、及びそれに伴う製造コストの増加を招く。また、特許文献１に記載された装置は、光学ロッドの汚染された面積が広がるのに伴い、計測に使用される実質的な光量が減少してガス濃度の計測精度が低下する。
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、計測精度の確保と低コストとを両立した内燃機関用ガス濃度計測装置を提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関用ガス濃度計測装置は、光源から発せられた光を燃焼室内に向けて一方向へ放射する放射部と、前記放射部から放射された光を反射する反射部と、前記反射部により反射された光を受ける受光部と、前記受光部により受けられた光の強度を測定する光強度測定部と、を備え、前記放射部から放射される光の強度と前記光強度測定部の測定結果とに基づき、前記燃焼室内のガス濃度を計測する内燃機関用ガス濃度計測装置であって、前記反射部は、本体と、ガスとの境界面を形成する酸化／腐食防止膜と、前記本体と前記酸化／腐食防止膜との間に形成される密着層と、を有し、前記本体には、ステンレス或いはニッケル合金が用いられ、前記酸化／腐食防止膜には、SiO2或いはPtが用いられ、前記密着層には、Ti或いはCrが用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃焼室内で高温のガスに曝される反射部に酸化被膜が生成されるのを抑止することができる。これにより、酸化皮膜が光を散乱させることに起因する反射率の低下を防止し、反射率を維持する、延いてはガス濃度の計測精度を確保することができる。また、反射部の本体に酸化／腐食防止膜及び密着層を成膜するだけで実施可能であるため、構造、制御等が複雑化することがなく、計測精度の確保と低コストとを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る内燃機関用ガス濃度計測装置が適用されたエンジンの概念図である。
【図２】本実施形態の説明図であって、特に、反射部の構造を示す図である。
【図３】本実施形態の説明図であって、特に、酸化／腐食防止膜及び密着層が成膜されていない試料における評価試験結果を示す図表である。
【図４】本実施形態の説明図であって、特に、酸化／腐食防止膜或いは密着層が成膜された試料における評価試験結果を示す図表である。
【図５】他の実施形態の説明図である。
【図６】他の実施形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
本実施形態に係る内燃機関用ガス濃度計測装置１１（便宜的に「ガス濃度計測装置１１」と称する）は、非分散赤外吸収（NDIR：Non Dispersive InfraRed）法を適用して、エンジン１（内燃機関）の燃焼室２内のガス濃度（対象となるガス成分濃度）を計測するものである。図１に、当該ガス濃度計測装置１１が適用されたエンジン１の概念図を示す。
【００１０】
図１、図２を参照すると、ガス濃度計測装置１１は、光源１２から発せられたレーザ光（本実施形態では「半導体レーザビーム」）を燃焼室２内のガスに向けて一方向へ放射する放射部１３と、放射部１３から燃焼室２内へ放射されたレーザ光（入射赤外光）を入射させる反射部２１と、反射部２１に入射したレーザ光の反射光（透過赤外光）を受ける受光部１４とを有する。また、ガス濃度計測装置１１は、放射部１３、反射部２１、及び受光部１４を含む光学系が点火プラグ３に構成される。換言すると、点火プラグ３は、所謂、点火プラグ型光学センサである。
【００１１】
一方、ガス濃度計測装置１１は、光源１２から発せられたレーザ光を放射部１３へ伝搬する入射光ファイバ１５と、受光部１４に入射した反射光（透過赤外光）を伝搬する反射光ファイバ１６と、反射光ファイバ１６を伝搬する反射光の測定対象となる波長の光強度を測定する光強度測定部１７（ディテクタ）とを有する。さらに、ガス濃度計測装置１１は、放射部１３から放射されるレーザ光（入射赤外光）の強度と光強度測定部１７の測定結果（透過赤外光の強度）とから得られる赤外線の減衰量に基づき、燃焼室２内のガス濃度を出力する演算処理部１８を有する。なお、演算処理部１８は、演算手段（CPU）、記憶手段を備える、所謂、マイクロコンピュータにより構成される。また、図１において、符号４は点火コイル、符号７は点火プラグ３の点火時期を制御する電子制御ユニット（ECU）である。
【００１２】
（反射部）
反射部２１は、点火プラグ３の接地電極５に隣接して横並びに配置されたＬ形片２２により支持される。Ｌ形片２２は、点火プラグ３の接地電極５に対して独立して設けられ、中心電極６が配置される点火プラグ３の端面３Ａから当該点火プラグ３の中心線に沿って図１における下方向へ延びる第１片２３と、屈曲部（エルボ）を介して第１片２３に連続する第２片２４とを有する。反射部２１は、Ｌ形片２２の第２片２４の一側面（図１における上側の面）に固定され、反射面となる一方の端面（図１における上側の円形面）が、点火プラグ３の端面３Ａに対向する。
【００１３】
図２に示されるように、反射部２１は、当該反射部２１の中核を構成する本体２５と、当該反射部２１の、点火プラグ３の端面３Ａとの対向面、すなわち、レーザ光が入射する側の表面を構成する酸化／腐食防止膜２６と、本体２５と酸化／腐食防止膜２６との間に形成される密着層２７とを有する。本体２５は、円柱形に形成され、素材にステンレス或いはニッケル合金が用いられる。また、酸化／腐食防止膜２６には、SiO2或いはPtが用いられる。さらに、密着層２７には、Ti或いはCrが用いられる。なお、本実施形態において、本体２５の素材に用いられるステンレスは、例えば、SUS304、SUS316Lである。また、本体２５の素材に用いられるニッケル合金は、例えば、インコネル（INCONEL：登録商標）６００である。
【００１４】
（作用）
前述のガス濃度計測装置１１の作用を説明する。
光源１２から発せられたレーザ光は、入射光ファイバ１５を伝搬して放出部１３から燃焼室２内に向けて一方向へ放射される。放射部１３から放射されたレーザ光（入射赤外光）は、燃焼室２内のガスを透過して反射部２１に入射する。反射光、すなわち、反射部２１により反射されたレーザ光（透過赤外光）は、受光部１４により受けられる。受光部１４により受けられた反射光、すなわち、受光部１４に入射したレーザ光（透過赤外光）は、反射光ファイバ１６を伝搬して光強度測定部１７により強度（透過赤外光の強度）が測定される。
【００１５】
演算処理部１８は、放射部１３から放射されるレーザ光（入射赤外光）の強度と光強度測定部１７の測定結果である反射光（透過赤外光）の強度とを演算処理して、燃焼室２内のガスを透過する赤外光の透過率（赤外線の減衰量）を算出する。また、演算処理部１８は、当該算出結果、及び記憶部に格納されたデータテーブルに基づき燃焼室２内のガス成分の濃度を決定し、演算処理結果として出力する。
【００１６】
（評価試験）
次に、反射部２１の酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７について実施した評価試験の結果を考察する。当該評価試験は、後述する数種類の試料を５００℃、６５０℃、８００℃の各温度のガス（燃焼ガス）に一定時間（３０分間）曝した後、各試料にレーザ光を照射して反射率を計測し、当該反射率の計測結果に基づき、各試料の反射面の性状を評価するものである。
【００１７】
なお、反射率は、試験前の状態（便宜的に「初期状態」と称する）の試料の反射率、すなわち、高温のガスに曝される前の試料の反射率を１００％として計測したものである。また、各試料は、ガス濃度計測装置１１に使用される反射部２１と同一形状（寸法）のものを使用した。さらに、酸化／腐食防止膜２６は３０００Å、本体２５と酸化／腐食防止膜２６との間に成膜される密着層２７は５００Åの厚さで成膜した。
【００１８】
図３は、比較対象として、酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７が形成されていない試料について実施した試験結果を示す図表である。つまり、図３は、本体２５の素材に使用されるステンレス（SUS304、SUS316L）或いはニッケル合金（インコネル６００）をガスに曝したときの試験結果、すなわち、本体２５が直接ガスに曝されることを想定して実施した試験結果を示す。
【００１９】
図３を参照すると、５００℃における反射率は、ステンレス（SUS304、SUS316L）及びニッケル合金（インコネル６００）の双方で略１００％を維持している、すわわち、反射面に劣化は認められない。また、６５０℃における反射率は、ステンレス（SUS304、SUS316L）で約５０％、ニッケル合金（インコネル６００）で約４０％である。
【００２０】
一方、８００℃における反射率は、ステンレス（SUS304、SUS316L）及びニッケル合金（インコネル６００）の双方で１０％前後である。当該試験結果から、より高温のガスに曝されることにより各試料の表面（反射面）の反射率は低下するが、ステンレス（SUS304、SUS316L）及びニッケル合金（インコネル６００）は、同一傾向の性状を示すことがわかる。
【００２１】
他方、図４は、ステンレス（SUS316L）の本体２５に、Ptの酸化／腐食防止膜２６とTiの密着層２７とを成膜した試料（便宜的に「試料１」と称する）、SiO2の酸化／腐食防止膜２６とTiの密着層２７とを成膜した試料（便宜的に「試料２」と称する）、Ptの酸化／腐食防止膜２６のみを成膜した試料（便宜的に「試料３」と称する）、の３種類の薄膜を成膜した各試料について実施した試験結果を示す図表である。
【００２２】
図４を参照すると、５００℃における反射率は、試料１乃至３が初期状態の試料と同様、略１００％を維持している。そして、試料１は、６５０℃における反射率が約９０％、８００℃における反射率が約８０％であった。また、試料２は、６５０℃における反射率が約１００％、８００℃における反射率が約９０％であった。一方、試料３は、６５０℃における反射率が約７０％、８００℃における反射率が約４０％であった。
【００２３】
前述の試験結果から、ガスとの境界面に酸化／腐食防止膜２６を形成すると共に当該酸化／腐食防止膜２６と本体２５との間に密着層２７を形成し、本体２５にステンレス（SUS316L）、酸化／腐食防止膜２６にSiO2、及び密着層２７にTiを用いて反射部２１を構成することにより、より高い温度（８００℃）に曝される環境でも反射面の劣化を抑止することが可能であることがわかった。なお、Crにより密着層２７を形成した場合も、Tiによる密着層２７と同様に、反射面の劣化を抑止することが発明者により実証されている。
【００２４】
この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、ガスとの境界面に酸化／腐食防止膜２６を形成すると共に当該酸化／腐食防止膜２６と本体２５との間に密着層２７を形成し、本体２５にステンレス（SUS304、SUS316L）或いはニッケル合金（インコネル６００）、酸化／腐食防止膜２６にSiO2或いはPt、及び密着層２７にTi或いはCrを用いて反射部２１を構成した。
このようにして構成された反射部２１を備える内燃機関用ガス濃度計測装置１１は、エンジン１の燃焼室２内で高温のガス（ガソリン、酸素、窒素、炭化水素、水等を含む燃焼ガス）に曝されることによる、反射部２１の劣化、すなわち、反射面（レーザ光が入射される側の面）における酸化反応を抑止することができる。これにより、反射面に生成された酸化皮膜が反射部２１に入射したレーザ光を散乱させることに起因する反射率の低下を抑止することが可能であり、反射部２１の反射率を維持、延いてはガス濃度の計測精度を確保することができる。
また、本実施形態は、反射部２１の本体２５に酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７を成膜するだけで実施可能であることから、構造、制御等が複雑化することがないので、計測精度の確保と低コストとを両立したガス濃度計測装置１１を提供することができる。
【００２５】
なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
本実施形態では、酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７を、本体２５のレーザ光が入射される側の面にのみ形成（成膜）して反射部２１を構成したが、例えば、図５に示されるように、酸化／腐食防止膜２６及び密着層２７を本体２５の全ての面に形成（成膜）して反射部２１を構成することができる。
また、本実施形態では、反射部２１を支持するＬ形片２２を、点火プラグ３の接地電極５と独立して設けたが、図６に示されるように、Ｌ形２２を接地電極５と一体化させる、すなわち、反射部２１を接地電極５に設けてガス濃度計測装置１１を構成することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  エンジン（内燃機関）、２  燃焼室、１１  ガス濃度計測装置、１２  光源、１３  放射部、１４  受光部、１７  光強度測定部、２１  反射部、２５  本体、２６  酸化／腐食防止膜、２７  密着層
【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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