JP2005233694A - Gas concentration detector of internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the gas concentration detector of an internal combustion engine capable of enhancing detection precision and reducing a production cost. <P>SOLUTION: The gas concentration detector 1 is so constituted as to detect the concentration of gasoline in a combustion gas in the vicinity of the ignition plug 10 of the combustion chamber 3d of the internal combustion engine 3 and equipped with a luminous body 31, a photodetector 32, optical fibers 24 and 25 on emission and detection sides, a reflecting mirror 28 and an ECU 2. The infrared laser beam with a wavelength of 3.39 μm emitted from the luminous body 31 penetrates the optical fiber 24 on the emission side to be emitted into the combustion chamber 3d from an emission end part 24a and reflected by the reflecting mirror 28 to enter the light detecting end part 25a of the optical fiber 25 on the light detection side to be detected by the photodetector 32. The ECU 2 operates the concentration C of gasoline from the intensity I<SB>0</SB>of the infrared laser beam at the time of emission and the intensity I of the infrared laser beam at the time of detection. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a gas concentration detection device for an internal combustion engine that detects the concentration of a predetermined component in fuel gas in the vicinity of a spark plug in a combustion chamber of the internal combustion engine.

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。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a gas concentration detection device for an internal combustion engine that detects a gasoline concentration in an air-fuel mixture in the vicinity of an ignition plug of a combustion chamber of the internal combustion engine, for example, a device described in Patent Document 1 is known. This gas concentration detection apparatus includes a laser emitter, a pair of optical elements on the light emitting side and the light receiving side, a laser receiver and a controller. Both the light emitting side and light receiving side optical elements are made of sapphire and are provided integrally with the spark plug. Further, these light emitting side and light receiving side optical elements project outward from the lower end surface of the spark plug in a state of being opposed to each other and spaced apart from each other, and have reflection surfaces arranged obliquely and plane-symmetrically. Each has.

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。   In this gas concentration detection device, the gasoline concentration in the air-fuel mixture near the spark plug is detected as follows. That is, when the laser emitter is driven by a drive signal from the controller, an infrared laser beam having a predetermined wavelength is emitted from the laser emitter. This infrared laser beam passes downward through the optical path in the spark plug, enters the light-emitting optical element, and then the light path is changed to a right angle toward the light-receiving optical element by the reflecting surface of the light-emitting optical element. Is done. The infrared laser beam is emitted from the optical element on the light emitting side into the combustion chamber, passes through the air-fuel mixture in the combustion chamber, and then enters the optical element on the light receiving side. After that, the infrared laser beam is changed to a right angle upward by the reflecting surface of the light-emitting optical element, passes through the optical path in the spark plug upward, and then enters the laser receiver. Converted and input to the controller.

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。   Thereafter, the controller calculates the gasoline concentration in the gas mixture based on the relationship between the intensity of the infrared laser beam emitted from the laser emitter and the intensity of the infrared laser beam incident on the laser receiver. That is, the gasoline concentration is calculated based on the degree of absorption (transmittance) of the infrared laser beam by gasoline. This is because the degree of absorption of the infrared laser beam by gasoline is almost proportional to the height of gasoline concentration in the mixture.

特許第２９２１３２５号公報（１〜２頁、図２，３）Japanese Patent No. 2921325 (pages 1 and 2, FIGS. 2 and 3)

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。   In the detection method such as the above conventional gas concentration detection device, the gasoline concentration in the mixture is calculated based on the degree of absorption of the infrared laser beam by the gasoline, so it is optimal for detecting the gasoline concentration in the mixture. The optimum value of the distance between the light-emitting and light-receiving optical elements, that is, the transmission distance of the infrared laser beam, varies depending on the gasoline concentration in the combustion chamber. For example, in an internal combustion engine that is operated with lean burn and an internal combustion engine that is operated with an air-fuel ratio close to the stoichiometric air-fuel ratio, the optimum value of the transmission distance of the infrared laser beam is different from each other. However, according to the conventional gas concentration detection device, since both the light emitting side and the light receiving side optical elements are integrally provided so as to protrude from the lower surface of the spark plug, there is no difference between the two optical elements. This distance is limited by the radial size of the spark plug. As a result, the optimum value of the transmission distance of the infrared laser beam cannot be ensured, which may lead to a decrease in detection accuracy. For the same reason, when the distance between the two optical elements is changed, it is necessary to change the design of the spark plug itself, which increases the manufacturing cost.

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。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a gas concentration detection device for an internal combustion engine that can improve detection accuracy and reduce manufacturing costs.

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。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is directed to an internal combustion engine 3 that detects the concentration of a predetermined component (for example, gasoline in the embodiment) in the fuel gas in the vicinity of the spark plug 10 of the combustion chamber 3d of the internal combustion engine 3. Gas concentration detectors 1 and 1A, which emit light (infrared laser beam) having a predetermined wavelength (3.39 μm) and light from the light source toward the combustion chamber 3d. A radiation part that emits in a predetermined direction (light emitting end part 24a of the optical fiber 24 on the light emission side) and a radiation gap are arranged in the vicinity of the spark plug 10 in the combustion chamber 3d with a predetermined distance from the radiation part, and are emitted from the radiation part A reflecting portion (reflecting mirror 28) that reflects the reflected light at a predetermined angle, a light receiving portion that receives the light reflected by the reflecting portion (light receiving end portion 25a of the optical fiber 25 on the light receiving side), and light emitted from the light source Intensity (emitter emits light) An infrared laser intensity I 0 of the beam), based on the intensity of the light received by the light receiving unit (intensity I of the infrared laser beam is received by the receiver), computes the concentration (gasoline concentration C) of the predetermined component gases Concentration calculating means (ECU2).

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。   According to this gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine, light having a predetermined wavelength emitted from the light source is emitted in a predetermined direction toward the combustion chamber of the internal combustion engine by the radiating unit and reflected at a predetermined angle by the reflecting unit. Thereafter, the light is received by the light receiving unit. Since this reflecting part is arranged near the spark plug in the combustion chamber with a predetermined distance from the radiating part, the light radiated from the radiating part is received between the radiating part and the reflecting part and from the reflecting part. The gas passes through the fuel gas in the vicinity of the spark plug in the combustion chamber. Therefore, for example, by setting the predetermined wavelength of this light to an appropriate value that is absorbed by the predetermined component in the fuel gas, the intensity of the light emitted from the light source and the light received by the light receiving unit The concentration of the predetermined component in the fuel gas in the combustion chamber can be appropriately calculated based on the intensity of the gas. In addition, the transmission distance through which light passes through the fuel gas in the combustion chamber is the sum of the distance between the radiating portion and the reflecting portion and the distance between the reflecting portion and the light receiving portion. The light transmission distance can be secured longer than in the case of only between elements. As a result, even when the light transmission distance optimum for detecting the concentration of the predetermined component in the fuel gas is relatively long, it can be ensured appropriately, and the detection accuracy of the gas concentration can be improved. it can.

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。   The invention according to claim 2 is the gas concentration detection device 1, 1A of the internal combustion engine 3 according to claim 1, wherein the radiation portion (the light emitting end portion 24a of the light-emitting side optical fiber 24) and the reflecting portion (the reflecting mirror 28). The light receiving portion (the light receiving end portion 25a of the light receiving side optical fiber 25) is provided in the spark plug 10.

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。   According to this gas concentration detection device for an internal combustion engine, since the radiating portion, the reflection portion, and the light receiving portion are provided on the ignition plug, the gas concentration detection device can be easily attached to the internal combustion engine by attaching the ignition plug to the internal combustion engine. It is possible to improve the maintainability.

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。   According to a third aspect of the present invention, in the gas concentration detection device 1 or 1A of the internal combustion engine 3 according to the first or second aspect, the radiation portion (the light emitting end portion 24a of the optical fiber 24 on the light emitting side) and the light receiving portion (the light receiving side). The light receiving end portions 25a) of the optical fibers 25 are arranged so as to be adjacent to each other.

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。   According to the gas concentration detection device for an internal combustion engine, the radiation portion and the light receiving portion are arranged so as to be adjacent to each other, and thus the gas concentration detection device can be reduced in size. In particular, when the radiating portion, the reflecting portion, and the light receiving portion are provided in the spark plug as in the invention according to claim 2, the size of the portion occupied in the combustion chamber of the gas concentration detection device, particularly the diameter of the spark plug. The size in the direction can be reduced. Thereby, it becomes possible to apply to a spark plug having a smaller diameter, thereby improving the merchantability.

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。   According to a fourth aspect of the present invention, in the gas concentration detection device 1 for the internal combustion engine 3 according to the first or second aspect, the holder that holds the reflecting portion (the reflecting mirror 28) and is detachably attached to the spark plug 10. 26 is further provided.

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。   According to the gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine, the holder for holding the reflection portion is detachably attached to the spark plug. Therefore, the predetermined component in the fuel gas can be simply changed by changing the size of the holder. Therefore, it is possible to easily secure a light transmission distance that is optimal for detecting the concentration of light. Thereby, compared with the conventional case where the design of the spark plug itself is changed, the manufacturing cost can be reduced.

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。   The invention according to claim 5 is the gas concentration detecting device 1A for the internal combustion engine 3 according to any one of claims 1 to 3, wherein the reflecting portion (reflecting mirror 28) and the radiating portion (the light emitting end of the optical fiber 24 on the light emitting side). It further includes an interval changing mechanism (a headless screw 41, a nut 42, a long hole 51) for changing a predetermined interval with the portion 24a).

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。   According to this gas concentration detection device for an internal combustion engine, the predetermined interval between the reflecting portion and the radiating portion can be freely changed by the interval changing mechanism, which is optimal for detecting the concentration of the predetermined component in the fuel gas. The light transmission distance can be easily secured. As a result, since one type of gas concentration detection device can be applied to various types of internal combustion engines having different gas mixture concentrations during operation, the manufacturing cost can be reduced compared to the conventional case where the design of the spark plug itself is changed. Can be reduced.

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。   Hereinafter, a gas concentration detection apparatus for an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As will be described below, this gas concentration detection device uses an infrared laser beam to determine the gasoline concentration (that is, the concentration of hydrocarbons and the concentration of predetermined components) in the air-fuel mixture near the spark plug in the intake stroke of the internal combustion engine. It is to detect. As shown in FIG. 1, the gas concentration detection device 1 includes an ECU 2 and a gas concentration sensor 20 (see FIGS. 2 and 3).

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。   The ECU 2 (gas concentration calculation means) is composed of a microcomputer including an I / O interface, a CPU, a RAM, and a ROM (all not shown). As will be described later, the ECU 2 is based on the intensity of the infrared laser beam at the time of light emission and light reception by the gas concentration sensor 20, and the air-fuel mixture in the vicinity of the spark plug 10 in the combustion chamber 3d of the internal combustion engine (hereinafter referred to as "engine") While calculating the gasoline concentration inside, various control processes such as ignition control and fuel injection control are executed.

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。   The engine 3 is an in-line multi-cylinder type gasoline engine, and includes a cylinder 3a and a piston 3b (only one is shown). A combustion chamber 3d is formed in the cylinder head 3c of the cylinder 3a.

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。   The cylinder head 3c is provided with an intake valve 4 and an exhaust valve 6. The intake valve 4 opens and closes the intake port of the intake passage 5 with the rotation of a camshaft (not shown). By opening the intake valve 4, air enters the combustion chamber 3 d via the intake passage 5. Inhaled. The exhaust valve 6 opens and closes the exhaust port of the exhaust passage 7 with the rotation of a camshaft (not shown). By opening the exhaust valve 6, the combustion gas in the combustion chamber 3d is moved to the exhaust passage 7 side. To be discharged.

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。   Further, a fuel injection valve 8 is attached to the cylinder head 3c so as to face the combustion chamber 3d. During operation of the engine 3, a drive signal from the ECU 2 is supplied to the fuel injection valve 8, whereby fuel (gasoline) is directly injected into the combustion chamber 3 d via the fuel injection valve 8, and the fuel injection valve 8 The fuel injection amount, that is, the valve opening timing is controlled. Thus, the engine 3 is configured as a so-called direct injection engine.

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。   A spark plug 10 is detachably attached to the cylinder head 3c. The spark plug 10 is connected to the ECU 2 via an ignition coil 9 and includes a center electrode 11 and a ground electrode 12 at the lower end thereof as shown in FIG. The center electrode 11 and the ground electrode 12 are provided with a predetermined gap between them. During operation of the engine 3, the center electrode 11 of the spark plug 10 is discharged when a high voltage is applied by the ECU 2 via the ignition coil 9, and a spark is generated between the center electrode 11 and the ground electrode 12. The air-fuel mixture in 3d is burned.

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。   Further, the spark plug 10 is provided with the gas concentration sensor 20 described above. As shown in FIGS. 2 and 3A and 3B, the gas concentration sensor 20 includes a hollow cylindrical cable case 21, an optical fiber cable 22 accommodated in the cable case 21, and a cable case 21. And a holder 26 detachably attached to the lower end of the head. In FIG. 2 and FIG. 3 (a), the hatching of the cross-sectional portion is omitted as appropriate for easy understanding, and this is also the case in the drawings cited in the following description.

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。   The cable case 21 is made of heat-resistant metal (for example, stainless steel), is incorporated in the spark plug 10 in an airtight state, extends through the spark plug 10 in the vertical direction, and has upper and lower ends of the spark plug 10. Open to the outside. The cable case 21 includes a main portion 21a having a constant diameter and a mounting portion 21b extending downward from the lower end thereof. The inner diameter and outer diameter of the mounting portion 21b are formed to be smaller than the main portion 21a.

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。   The optical fiber cable 22 is housed in an airtight state in the main portion 21a of the cable case 21, and extends over the entire main portion 21a. The portion extending outward from the spark plug 10 includes two optical fiber cables 22a, Branches to 22b. The tip ends of these optical fiber cables 22a and 22b are connected to a light emitter 31 and a light receiver 32, which will be described later.

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。   The optical fiber cable 22 includes a protective layer 23 and light-emitting and light-receiving optical fibers 24 and 25 built in the center thereof. The protective layer 23 is for protecting the optical fibers 24 and 25 on the light emitting side and the light receiving side, and is made of a heat-resistant material (for example, stainless steel or zirconia ceramics). The optical fibers 24 and 25 on the light emitting side and the light receiving side are made of silica-based fibers having heat resistance.

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。   The light-emitting side optical fiber 24 extends in the optical fiber cables 22 and 22 a, and an end portion (hereinafter referred to as “light-emitting end portion”) 24 a on the combustion chamber 3 d side is an inner hole of the attachment portion 21 b of the cable case 21. The end opposite to the light emitting end 24 a is connected to the light emitter 31. The optical fiber 25 on the light receiving side extends in the optical fiber cables 22 and 22b, and is disposed in the optical fiber cable 22 so as to be adjacent to the optical fiber 24 on the light emitting side. Further, the optical fiber 25 on the light receiving side has a mounting portion 21b in a state where an end portion (hereinafter referred to as “light receiving end portion”) 25a on the combustion chamber 3d side is adjacent to the light emitting end portion 24a of the optical fiber 24 on the light emitting side. The end opposite to the light receiving end 25 a is connected to the light receiver 32.

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。   On the other hand, the holder 26 is a bottomed one formed in a hollow cylindrical shape, and its upper half is a sapphire holder 26a that holds the sapphire 27 inside, and its lower half is sapphire. A reflecting mirror holder 26b that holds the reflecting mirror 28 (reflecting portion) inside is integrated with the holder 26a.

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。   A fitting portion 21b of the cable case 21 is fitted into the inner hole of the sapphire holder 26a, and two female screw holes are formed in the fitting portion of the fitting portion 21b. Screws 29, 29 are screwed into these female screw holes in a state of passing through the sapphire holder 26a and tightened. Thereby, the sapphire holder 26a is detachably attached to the attachment portion 21b via the screws 29, 29, and the holder 26 is detached from the cable case 21 by removing the screws 29, 29 during maintenance. It is. An annular step 26c is formed at the lower end of the inner wall of the sapphire holder 26a so as to protrude inward.

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。   The sapphire 27 protects the light emitting end 24a (radiating part) and the light receiving end 25a (light receiving part) of the two optical fibers 24, 25, and is formed in a cylindrical shape. Washers 30 and 30 are accommodated in a state compressed in the vertical direction between the upper end surface of the sapphire 27 and the lower end surface of the attachment portion 21b and between the lower end surface of the sapphire 27 and the upper surface of the step portion 26c. Has been. These washers 30 and 30 are made of a heat-resistant material (for example, copper), and the inside of the optical fiber cable 22, sapphire 27, and sapphire holder 26 a is formed by the sealing properties of these washers 30 and 30. The space is kept airtight with respect to the combustion chamber 3d. That is, the light emitting end 24a and the light receiving end 25a of the two optical fibers 24 and 25 are configured not to be directly exposed to the air-fuel mixture in the combustion chamber 3d.

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。   On the other hand, the reflector holder 26b has a detection hole 26d that opens toward the electrodes 11 and 12 side. The detection hole 26d is formed in a substantially semi-cylindrical shape, and the air-fuel mixture near the electrodes 11 and 12 in the combustion chamber 3d is introduced into the reflector holder 26b through the detection hole 26d. The reflecting mirror 28 is disc-shaped and is accommodated in the lower half of the reflecting mirror holder 26b, and is positioned at a position facing the light emitting end 24a and the light receiving end 25a of the optical fibers 24 and 25. Are arranged at predetermined intervals. The reflecting mirror 28 has a substantially spherical reflecting surface 28a whose upper surface is concave downward, and the infrared laser beam emitted from the light emitting end 24a is transmitted to the light receiving end 25a by the reflecting surface 28a. The light is reflected at a very small predetermined reflection angle (≈0 °).

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。 The above-described light emitter 31 (light source) is composed of a He—Ne laser, and is electrically connected to the ECU 2, and is driven by a drive signal from the ECU 2, whereby an infrared laser beam having a wavelength of 3.39 μm. Is emitted to the light-emitting side optical fiber 24 with a predetermined intensity I 0 .

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。   Further, the light receiver 32 includes a photoelectric conversion circuit and a band-pass filter (both not shown) and is electrically connected to the ECU 2 and receives an infrared laser beam from the optical fiber 25 on the light receiving side. Then, a detection signal indicating the intensity I of the received infrared laser beam is output to the ECU 2.

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。 Next, the detection operation and the detection principle of the gas concentration detection apparatus 1 as described above will be described. When the air-fuel mixture is generated in the combustion chamber 3d by opening the intake valve 4 and the fuel injection valve 8 during the intake stroke during the operation of the engine 3, the ECU 31 drives the light emitter 31 with a wavelength of 3.39 μm. An infrared laser beam having a predetermined intensity I 0 is emitted from the light emitter 31 to the optical fiber 24 side on the light emission side.

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。   The infrared laser beam passes through the optical fiber 24 on the light emission side, is emitted from the light emitting end 24a toward the reflecting mirror 28 in the combustion chamber 3d, passes through the sapphire 27, and reaches the reflecting surface 28a of the reflecting mirror 28. To reach. At this time, since the air-fuel mixture in the combustion chamber 3d enters the detection hole 26d between the sapphire 27 and the reflecting mirror 28, the infrared laser beam passes through the air-fuel mixture.

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。   Next, the infrared laser beam is reflected by the reflecting surface 28a toward the optical fiber 25 on the light receiving side, and passes through the air-fuel mixture again. Further, the infrared laser beam passes through the sapphire 27, enters the optical fiber 25 from the light receiving end portion 25a of the light receiving side optical fiber 25, and then reaches the light receiver 32 through this. The light receiver 32 outputs a detection signal indicating the intensity I of the received infrared laser beam to the ECU 2.

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。 The ECU 2 calculates the spark plug 10 according to the following formula based on the ratio (ie, transmittance) I / I 0 of the received infrared laser beam intensity I to the predetermined intensity I 0 of the infrared laser beam when the light emitter 31 emits light. Calculate the gasoline concentration in the nearby mixture.
log (I / I 0 ) = − ε · L · C
Here, ε represents the molar absorption coefficient, L represents the transmission distance of the mixture of the infrared laser beam, and C represents the gasoline concentration in the mixture. In the case of the gas concentration detection device 1 of the present embodiment, the transmission distance L is approximately twice the distance Lc between the lower end surface of the sapphire 27 and the center portion of the reflection surface 28a shown in FIG. This corresponds to a value (2 · Lc≈L).

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。   FIG. 4 shows the gasoline in the air-fuel mixture near the spark plug 10 by the gas concentration detection device 1 as described above when the engine 3 is in a predetermined operating state (the rotation speed is 1500 rpm and the intake pipe internal pressure is −400 hPa). While detecting the concentration, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture calculated based on the detection result (indicated as “air-fuel mixture A / F” in FIG. 4) and the air-fuel ratio of the exhaust gas detected by the exhaust gas analyzer ( FIG. 4 shows the relationship with “exhaust gas A / F”. As can be seen from the figure, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture shows substantially the same value as the air-fuel ratio of the exhaust gas, and the actual mixing in the combustion chamber 3d is performed by the gas concentration detection device 1 of the present embodiment. It can be seen that the gasoline concentration in the air is detected with high accuracy. That is, it was proved that the gas concentration detection device 1 has high detection accuracy.

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。   As described above, according to the gas concentration detection apparatus 1 of the present embodiment, the transmission distance L through which the infrared laser beam passes through the air-fuel mixture in the combustion chamber 3d is approximately the distance between the sapphire 27 and the reflecting mirror 28. Since the value is twice (2 · Lc≈L), the transmission distance L can be ensured longer than in the case where only two conventional optical elements are used. Thereby, even when the transmission distance of the infrared laser beam optimum for detecting the gasoline concentration in the air-fuel mixture is relatively long, it can be ensured appropriately, and the detection accuracy can be improved.

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。   Further, since the light-emitting side optical fiber 24, the light-receiving side optical fiber 25, and the reflecting mirror 28 are all attached to the ignition plug 10, the gas concentration detection device 1 can be installed only by attaching the ignition plug 10 to the engine 3. It can be easily attached to the engine 3, thereby improving the maintainability.

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。   Further, the light-emitting side optical fiber 24 and the light-receiving side optical fiber 25 are disposed in the spark plug 10 so as to be adjacent to each other, and the reflecting mirror 28 is disposed at a position facing them, so that the gas The size of the portion occupying the combustion chamber 3d of the concentration detection device 1, particularly the size in the radial direction of the spark plug 10, can be reduced. Thereby, it becomes possible to apply to a spark plug 10 having a smaller diameter, thereby improving the merchantability.

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。   Further, since the holder 26 can be detached from the spark plug 10 by removing and attaching the screws 29, 29, the holder 26 is replaced with an appropriate length according to the gasoline concentration in the mixture of the engine 3 to be detected. As a result, the distance between the reflecting mirror 28 and the sapphire 27, that is, the transmission distance L, can be easily changed to an optimum value for detecting the gasoline concentration. Thereby, compared with the conventional case where the design of the spark plug itself is changed, the manufacturing cost can be reduced.

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。   Next, a gas concentration detection apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIGS. 5 and 6, the gas concentration detection device 1 </ b> A of the present embodiment is slightly different from the gas concentration detection device 1 of the first embodiment in that a part of the gas concentration sensor 20 is slightly different. Since the configuration is the same as that of the gas concentration detection device 1 of the first embodiment, the following description will focus on the different parts of the gas concentration sensor 20. In addition, about the structure similar to the gas concentration detection apparatus 1 of 1st Embodiment, while attaching | subjecting the same code | symbol, the description is abbreviate | omitted.

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。   The gas concentration sensor 20 includes a sapphire holder 40 and a reflector holder 50 that is separate from the sapphire holder 40. Similar to the sapphire holder 26a described above, the sapphire holder 40 is formed in a hollow cylindrical shape and holds the sapphire 27 therein. A headless screw 41 is integrally provided at the lower end of the sapphire holder 40, and the headless screw 41 protrudes laterally from the outer peripheral surface of the sapphire holder 40 by a predetermined length.

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。   Further, the reflecting mirror holder 50 is a bottomed one formed in a hollow cylindrical shape, and holds the reflecting mirror 28 inside the lower half thereof, similarly to the reflecting mirror holder 26b described above. The reflector holder 50 includes a long hole 51 extending in the vertical direction and a detection hole 52 for introducing the air-fuel mixture to the reflector 28 side.

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。   A sapphire holder 40 is fitted in the inner hole of the reflector holder 50. Further, a headless screw 41 of the sapphire holder 40 is engaged with the long hole 51 of the reflecting mirror holder 50, and the headless screw 41 protrudes outward from the long hole 51 of the reflecting mirror holder 50. In addition, a nut 42 is attached to the protruding portion in a tightened state. Thereby, the reflector holder 50 is fixed to the sapphire holder 40. In the present embodiment, a headless screw 41, a nut 42, and a long hole 51 constitute an interval changing mechanism.

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。   With the above configuration, according to the gas concentration detection device 1A of the present embodiment, by loosening the tightening of the nut 42, the reflector holder 50 is placed on the sapphire holder 40 so that the headless screw 41 is above the elongated hole 51. Between the lowermost position (position shown in FIG. 6 (a)) that contacts the edge and the uppermost position (position shown in FIG. 6 (b)) that contacts the lower edge of the long hole 51 in the vertical direction Can be slid. Further, the reflector holder 50 can be positioned and fixed to the sapphire holder 40 by tightening the nut 42 again at an arbitrary position between the lowermost position and the uppermost position. As a result, the transmission distance L of the infrared laser beam is approximately twice the value (2 · Lmax) of the distance Lmax between the sapphire 27 and the reflecting mirror 28 shown in FIG. 6A, and FIG. Can be freely changed in a stepless manner between a value approximately 2 times the distance Lmin shown in (2 · Lmin). Thereby, the optimal permeation distance L for detecting the gasoline concentration in the air-fuel mixture can be easily secured, and one type of gas concentration detection device 1A can be used for various types of internal combustion engines having different gasoline concentrations in the air-fuel mixture. 3 can be applied. As a result, the manufacturing cost can be reduced as compared with the gas concentration detection device 1 of the first embodiment.

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。   In addition, 2nd Embodiment is an example which comprised the space | interval change mechanism by the headless screw 41, the nut 42, and the elongate hole 51, but the space | interval change mechanism is not restricted to this, Between the reflective mirror 28 and sapphire 27 As long as it is possible to change the interval, that is, the transmission distance. For example, as an interval changing mechanism, an actuator (hydraulic type or electric type) controlled by the ECU 2 is provided, and the vertical positional relationship of the reflector holder 50 with respect to the sapphire holder 40 is changed by this actuator. May be used. In this way, even when the gasoline concentration in the air-fuel mixture in the combustion chamber 3d changes during engine operation, an optimal infrared laser beam transmission distance is appropriately secured to detect the changed gasoline concentration. be able to.

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。 In addition, each of the above embodiments is an example in which a He—Ne laser is used as the light emitter 31, but the light emitter 31 is not limited to this and may be any device that emits an infrared laser beam. For example, as the light emitter 31, a gas laser (for example, CO 2 laser) other than the He—Ne laser, a semiconductor laser (for example, PbSnTe), a YAG laser, or the like may be used.

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。   Furthermore, the wavelength of the infrared laser beam radiated from the light emitter 31 is not limited to 3.39 μm in the embodiment, and the wavelength range is such that the infrared laser beam is absorbed by gasoline when passing through the combustion chamber 3d. If it is. For example, an infrared laser beam having a wavelength of about 1.6 μm, 2.3 μm, or 7.6 μm may be used. Furthermore, the light used for detecting the gasoline concentration in the mixture in the combustion chamber 3d is not limited to the infrared laser beam, but may be any light that can detect the gasoline concentration in the mixture in the combustion chamber 3d. For example, ultraviolet light having a wavelength near 260 nm may be used.

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。   In addition, each embodiment is an example in which the gas concentration detection device 1 is applied to detection of gasoline concentration in an air-fuel mixture in a gasoline engine. However, the gas concentration detection device 1 of the present invention is not limited to this, and fuel is generated by an ignition plug. The present invention is applicable to detection of a predetermined component in fuel gas in an internal combustion engine that burns gas. For example, you may use for the detection of the density | concentration of the hydrocarbon in fuel gas in the internal combustion engine which uses LPG and alcohol fuel as a fuel.

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。   Furthermore, it goes without saying that the arrangement of the light emitting end 24a of the light emitting side optical fiber 24, the light receiving end 25a of the light receiving side optical fiber 25, and the reflecting mirror 28 is not limited to the example of the embodiment. For example, as shown in FIG. 7, the light emitting end portion 24a of the light emitting side optical fiber 24 and the light receiving end portion 25a of the light receiving side optical fiber 25 are disposed at both left and right end portions of the lower end portion of the spark plug 10 and reflected. The mirror 28 may be arranged so that the infrared laser beam from the light emitting end portion 24a of the light emitting side optical fiber 24 is reflected to the light receiving end portion 25a side of the light receiving side optical fiber 25. Further, as shown in FIG. 8, the light emitting end 24a of the light emitting side optical fiber 24, the light receiving end 25a of the light receiving side optical fiber 25, and the reflecting mirror 28 are arranged so as to draw a triangle when seen in a plan view. May be. In this case, a reflecting mirror for changing the optical path may be provided at the light emitting end 24a of the light emitting side optical fiber 24 and the light receiving end 25a of the light receiving side optical fiber 25.

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。   The embodiment is an example in which the gas concentration sensor 20 is attached to the spark plug 10, but the attachment position of the gas concentration sensor 20 is not limited to this, and the gasoline concentration in the air-fuel mixture near the spark plug 10 can be detected. Any position is acceptable. For example, the gas concentration sensor 20 may be configured separately from the spark plug 10 and attached to the cylinder head 3c.

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。1 is a diagram showing a schematic configuration of a gas concentration detection device according to a first embodiment of the present invention and an internal combustion engine to which the gas concentration detection device is applied. FIG. 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。It is sectional drawing which shows schematic structure of a gas concentration sensor and a spark plug. 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。It is (a) sectional drawing and (b) front view which show schematic structure of the front-end | tip part vicinity of a gas concentration sensor. 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。It is a figure which shows an example of the relationship between the air fuel ratio of the gas mixture calculated based on the detection result of a gas concentration detection apparatus, and the air fuel ratio of the exhaust gas detected by the exhaust gas analyzer. 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。It is the (a) front view and the (b) side view which show schematic structure of the front-end | tip part vicinity of the gas concentration sensor in the gas concentration detection apparatus concerning 2nd Embodiment. （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。(A) Sectional drawing which shows the state which set the transmission distance of the infrared laser beam in the gas concentration sensor of 2nd Embodiment to the maximum value, (b) It is sectional drawing which shows the state which set the transmission distance to the minimum value. 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。It is a figure which shows the modification of arrangement | positioning of the light emission end part of the optical fiber of a light emission side, the light reception end part of the optical fiber of a light reception side, and a reflective mirror in a gas concentration detection apparatus. 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。It is a figure which shows the other modification of arrangement | positioning of the light emission end part of the optical fiber of a light emission side, the light reception end part of the optical fiber of a light reception side, and a reflective mirror in a gas concentration detection apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

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） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas concentration detection apparatus 1A Gas concentration detection apparatus 2 ECU (gas concentration calculation means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Internal combustion engine 3d Combustion chamber 10 Spark plug 24a The light emission end part (radiation part) of the optical fiber of the light emission side
25a Light receiving end (light receiving portion) of optical fiber on light receiving side
26 Holder 28 Reflector (Reflector)
31 Light emitter (light source)
41 Headless screw (interval changing mechanism)
42 Nut (interval change mechanism)
51 Long hole (interval changing mechanism)
C Gasoline concentration (concentration of specified components)
Intensity of infrared laser beam emitted from the I 0 emitter (Intensity of light emitted from the light source)
I The intensity of the infrared laser beam received by the receiver (the intensity of the light received by the light receiver)

Claims (5)

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。 A gas concentration detection device for an internal combustion engine for detecting a concentration of a predetermined component in fuel gas in the vicinity of an ignition plug of a combustion chamber of the internal combustion engine,
A light source that emits light of a predetermined wavelength;
A radiating section that emits light from the light source in a predetermined direction toward the combustion chamber;
A reflecting portion disposed near the spark plug in the combustion chamber with a predetermined distance from the radiating portion, and reflecting light emitted from the radiating portion at a predetermined angle;
A light receiving portion for receiving the light reflected by the reflection portion;
Gas concentration calculating means for calculating the concentration of the predetermined component based on the intensity of the light emitted from the light source and the intensity of the light received by the light receiving unit;
A gas concentration detection device for an internal combustion engine, comprising: 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。   The gas concentration detection device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the radiation unit, the reflection unit, and the light receiving unit are provided in the spark plug. 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。   The gas concentration detection device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the radiation unit and the light receiving unit are disposed adjacent to each other. 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。   The gas concentration detection device for an internal combustion engine according to claim 1, further comprising a holder that holds the reflection portion and is detachably attached to the spark plug. 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。   The gas concentration detection device for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising an interval changing mechanism that changes the predetermined interval between the reflecting portion and the radiating portion.
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