JP2005256764A

JP2005256764A - 光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関

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Publication number: JP2005256764A
Application number: JP2004070700A
Authority: JP
Inventors: Masazumi Taura; 昌純田浦; Kenji Muta; 研二牟田; Hiroyuki Endo; 浩之遠藤; Satoru Yamada; 哲山田; Tomoyuki Kikukawa; 知之菊川; Yoshifumi Takahashi; 良文高橋; Takanori Saito; 崇記斉藤; Kenichi Nakamura; 賢一中村
Original assignee: Anritsu Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Anritsu Corp; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP4452106B2

Abstract

【課題】光スペクトラムアナライザ装置を用いてのガス成分の検出データの検出精度を上げて、かかる検出データを用いてのエンジンの安定運転、排気ガスの浄化等を実現可能とした光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成された内燃機関において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記燃焼室内に臨んで取り付けて該光スペクトラムアナライザにより前記燃焼室内の燃焼光を受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記燃焼光を分析して前記燃焼室内の燃焼状態を判定するコントローラを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主としてガスエンジン及びディーゼルエンジンに適用され、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザ装置を用いて燃焼室内の燃焼状態、燃料ガスの組成、排気ガスの組成等を検知するように構成された内燃機関に関する。

ガスエンジンは、希薄混合ガスを予混合燃焼させるため、燃焼室内における混合ガスの分布状態によっては失火やノッキング等の燃焼不良が発生し易いため、該エンジンを安定運転するには、エンジンの運転中、常時燃焼室内における燃焼状態を監視して、この監視情報に基づきパイロット燃料の噴射タイミングあるいは点火プラグの点火タイミングを最適値に制御することが要求される。
また、かかるガスエンジンにおいては、燃料ガスの組成によって空気量を制御して、燃料ガスの組成変化によって燃料の発熱量が変化しても、これに応じて空燃比を調整して所要の空気過剰率で以って安定運転を行うことを要する。

前記常時燃焼室内における燃焼状態を監視する手段として、筒内圧力を検出して該筒内圧力検出値に基づきパイロット燃料の噴射タイミングあるいは点火プラグの点火タイミングを調整して、該筒内圧力が所要筒内圧力になるように制御する手段が、多く提案されている。
しかしながら、前記筒内圧力検出値を用いて燃焼制御を行う手段は、燃焼室内全体の平均的状態である筒内圧力の検出値を用いているため、ガスエンジンのように燃焼室内の場所によって混合ガスの濃淡分布が発生して失火やノッキングを誘発し易いエンジンにおいては、筒内圧力の検出値を用いるのみでは、前記失火やノッキングの発生を完全に回避するのは困難を伴う。

かかる問題点に対処する手段として、例えば特許文献１（特公平５−２８３３１号公報）に一部が開示されているような、受光素子が受光する光の波長を所定範囲で掃引し、被測定光に含まれる各波長の光の強度を検出する光スペクトラムアナライザ装置を用いて、燃焼室内の複数箇所における燃焼光の強さを検知する手段が考えられる。

特公平５−２８３３１号公報

しかしながら、燃焼室内における燃焼ガスや排気ガス中に含まれる組成成分の波長は、
ＣＨ_４＝１．６５μｍ
ＮＯ＝１．８μｍ
ＮＯ_２＝１．６８〜０．４５μｍ
ＣＯ＝１．６μｍ
ＴＨＣ＝１．４〜１．７μｍ
と、きわめて狭い範囲内に集中している。

一方、前記のような従来の光スペクトラムアナライザ装置は、受光素子が受光し吸収する光の波長の範囲が比較的広くなっている。このため、かかる従来の光スペクトラムアナライザ装置を用いて、燃焼室内における燃焼ガスの組成成分や排気ガス中に含まれる有害物質の組成成分を検出しようとしても、前記のように、該燃焼ガスの組成成分や排気ガス中の有害物質の組成成分の波長の範囲が１．４〜１．８μｍの範囲に密集しているため、所要の成分を精度良く検出し難い。
従って、かかる従来の光スペクトラムアナライザ装置を用いる場合には、エンジンを安定運転するとともに排気ガスを浄化し得るに十分な、燃焼ガスの組成成分や排気ガス中の有害物質の検出データを得ることは困難となる。
等の問題点を有している。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、光スペクトラムアナライザ装置を用いてのガス成分の検出データの検出精度を上げて、かかる検出データを用いてのエンジンの安定運転、排気ガスの浄化等を実現可能とした光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関を提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記燃焼室内に臨んで取り付けて該光スペクトラムアナライザにより前記燃焼室内の燃焼光を受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記燃焼光を分析して前記燃焼室内の燃焼状態を判定するコントローラを備えたことを特徴とする。

かかる発明によれば、燃焼室内での燃焼時に発生するＯＨラジカル、ＣＨラジカル等からの燃焼光を光スペクトラムアナライザで高速計測により検出してコントローラに入力し、該コントローラにおいて前記それぞれの燃焼光の検出値と、予め設定されたＯＨラジカルあるいはＣＨラジカルにおける失火のしきい値、あるいはＯＨラジカルにおけるノッキングのしきい値とを比較する。
そしてコントローラにおいては、前記ＯＨラジカルあるいはＣＨラジカルの検出値が前記失火のしきい値よりも低い場合には、点火エネルギー、点火タイミング、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、給気圧力、給気量等のエンジン運転条件を調整して失火の発生を回避し、前記ＯＨラジカルの検出値がノッキングのしきい値を超える場合には、前記エンジン運転条件を調整してノッキングの発生を回避する。

従ってかかる発明によれば、前記光スペクトラムアナライザは光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えており、透過光（燃焼光）における極めて狭い範囲の波長を検出し得る機能を備えているので、前記燃焼時に発生するＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分による燃焼光の波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。
これにより、前記エンジン運転条件を調整するための検出因子であるＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分の検出値を、燃焼室内の所要の場所で高精度で得ることができ、かかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、失火の発生及びノッキングの発生を確実に回避したエンジンの安定運転が実現できる。

また、かかる発明によれば、前記光スペクトラムアナライザは、光スキャナで構成された小型、高速の測定機能を備えているので、エンジンの高速回転運転時においても、前記各燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。

かかる発明において好ましくは、光スペクトラムアナライザを、点火手段あるいは燃料噴射弁が配置された前記燃焼室内の中央部近傍あるいは該燃焼室内の外周部近傍の何れか一方または双方に配置する。
このように構成すれば、燃焼室内の外周部近傍における高温のいわゆるエンドガス中、中央部近傍のガス中、等の燃焼室内のあらゆる箇所におけるＯＨラジカルを前記光スペクトラムアナライザにより検出して前記コントローラに入力することが可能となり、該コントローラによる前記ＯＨラジカルの検出値を用いての前記のようなエンジン運転条件の制御によって、ノッキングの発生を確実に回避できる。

また本発明は、前記エンジンにおいて、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの給気通路に設置して、光源から発射され前記給気通路中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記給気通路中のガス組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする。
かかる発明において好ましくは、前記エンジンが、排気ガスの一部をＥＧＲ（排気ガス再循環）通路を通して前記給気通路に還流するＥＧＲ（排気ガス再循環）システムを備えたエンジンであって、前記光スペクトラムアナライザを前記給気通路の前記ＥＧＲ通路との合流部よりも燃焼室寄りの下流側に設置する。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザをエンジンの給気通路に設置し、光源から発射され前記給気通路内の給気中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、該給気中の組成成分、殊にＥＧＲガスの混合後における給気中のＥＧＲガス成分を、これらの成分における波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの組成成分を各成分毎に正確に検出してコントローラに入力し、かかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となる。

また本発明は、前記エンジンにおいて、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの排気通路に設置して、光源から発射され前記排気通路中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記排気通路中の排気ガスの組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする。

かかる発明において好ましくは、前記排気通路に排ガス浄化装置等の後処理装置を設置し、前記光スペクトラムアナライザを前記後処理装置の上流側あるいは下流側の何れか一方または双方に設置する。
また、かかる発明において好ましくは、前記光スペクトラムアナライザは、前記透過光から前記排気ガスの組成として該排気ガス中の未燃ＣＨ_４（メタン）を検出し、あるいは排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出し、あるいは排気ガス中のＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）の何れか一方または双方を検出して前記コントローラに伝送するように構成される。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを、排気通路における後処理装置の上流位置あるいは下流位置に設置し、光源から発射され前記排気通路内の排気ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、排気ガス中の未燃ＣＨ_４（メタン）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）等の有害成分を、これらの成分における波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの成分を各成分毎に正確に検出してコントローラに入力することができ、かかる検出、制御因子を用いてエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、前記有害成分の排出を抑制したエンジンの運転が可能となる。

また本発明は、燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されるとともに、排気ガスの一部をＥＧＲ（排気ガス再循環）通路を通して給気通路に還流するＥＧＲ（排気ガス再循環）システムを備えたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ＥＧＲ通路に設置して、光源から発射され前記ＥＧＲ通路中を透過した透過光からＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を検出するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記給気通路中のＯ_２濃度を検知するコントローラを備えたことを特徴とする。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザをエンジンのＥＧＲ通路に設置し、光源から発射され前記ＥＧＲ通路内のＥＧＲガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、ＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を、該Ｏ_２成分の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、該コントローラにおいてかかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、前記ＥＧＲガス量を目標値に制御し得るエンジンの運転が可能となる。

また本発明は、燃料ガスタンクに収容された燃料ガスを燃料ガス通路を通して給気通路において空気と混合しこの混合ガスをエンジンの燃焼室に供給して着火、燃焼するように構成されたガスエンジン（ガス内燃機関）において、光源から発射され前記燃料ガス中を透過した光を受光するとともに、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ガスエンジンの燃料ガス供給系路に設置し、光源から発射され前記燃料ガス供給系路の燃料ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記燃料ガスの組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする。

かかる発明において好ましくは、前記光スペクトラムアナライザを、前記燃料ガス供給系路を構成する燃料ガスタンクまたは燃料ガス通路の何れか一方または双方に設置し、該光スペクトラムアナライザにより燃料の組成変化を検出するように構成される。
また、かかる発明において好ましくは、前記燃料ガス通路に空気過剰率を調整する空気過剰率調整手段を設置するとともに、前記光スペクトラムアナライザを前記空気過剰率調整手段の下流側の燃料ガス通路に設置する。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを、ガスエンジンの燃料ガス供給系路を構成する燃料ガスタンクまたは燃料ガス通路の何れか一方または双方に、あるいは空気過剰率調整手段の下流側の燃料ガス通路に設置し、光源から発射され前記燃料ガスタンク内あるいは燃料ガス通路内の燃料ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、燃料ガス中のＣＨ_４（メタン）等の組成成分、あるいは空気過剰率調整手段の下流側におけるＯ_２（酸素）を、該ＣＨ_４（メタン）、Ｏ_２（酸素）等の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、該コントローラにおいてかかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御、及び失火あるいはノッキングを防止し得る空気過剰率の制御が可能となり、前記エンジンの高効率かつ安定運転が可能となる。

また本発明は、燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたディーゼルエンジンにおいて、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ディーゼルエンジンの排気通路に設置し、光源から発射され前記排気通路の排気ガス中を透過した透過光からＳＯ_２（硫黄酸化物）を検出するように構成されてなることを特徴とする。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを、ディーゼルエンジンの排気通路に設置し、光源から発射され前記排気通路内の排気ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、排気ガス中のＳＯ_２を、該ＳＯ_２の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、かかるＳＯ_２検出値を用いてＳＯ_２の排出量を抑制し得るようにエンジン運転条件を精緻に制御することがが可能となり、前記有害成分の排出を抑制したエンジンの運転が可能となる。

また本発明は、燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの潤滑油通路に設置して、光源から発射され前記潤滑油通路の潤滑油中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザは前記透過光から前記潤滑油中の金属粉あるいはカーボンの何れか一方または双方を検知するように構成されたことを特徴とする。

かかる発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを、エンジンの潤滑油通路に設置し、光源から発射され前記潤滑油通路内の潤滑油中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、潤滑油中の金属粉あるいはカーボンを、該金属粉あるいはカーボンの波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、かかる金属粉あるいはカーボンの検出値を監視することにより、潤滑油の劣化度を正確に検知できる。

本発明によれば、光スペクトラムアナライザは光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えており、透過光（燃焼光）における極めて狭い範囲の波長を吸収し得る機能を備えているので、燃焼室内での燃焼時に発生するＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分による燃焼光の波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。
これにより、前記エンジン運転条件を調整するための検出因子であるＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分の検出値を、燃焼室内の所要の場所で高精度で得ることができ、かかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、失火の発生及びノッキングの発生を確実に回避したエンジンの安定運転が実現できる。
また、前記光スペクトラムアナライザは、光スキャナで構成された小型、高速の測定機能を備えているので、エンジンの高速回転運転時においても、前記各燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。

また、本発明によれば、前記光スペクトラムアナライザを、排気通路に設置し、光源から発射され排気ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、排気ガス中の未燃ＣＨ_４（メタン）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）、ＳＯ_２（硫黄酸化物）等の有害成分を、これらの成分における波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの成分を各成分毎に正確に検出してコントローラに入力することができ、かかる検出、制御因子を用いてエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、前記有害成分の排出を抑制したエンジンの運転が可能となる。

また、本発明によれば、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを、ガスエンジンの燃料ガス供給系路に、あるいは空気過剰率調整手段の下流側の燃料ガス通路に設置し、光源から発射され前記燃料ガス供給系路内の燃料ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザで受光することにより、燃料ガス中のＣＨ_４（メタン）等の組成成分、あるいは空気過剰率調整手段の下流側におけるＯ_２（酸素）を、該ＣＨ_４（メタン）、Ｏ_２（酸素）等の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、該コントローラにおいてかかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御、及び失火あるいはノッキングを防止し得る空気過剰率の制御が可能となり、前記エンジンの高効率かつ安定運転が可能となる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係る光スペクトラムアナライザ装置を備えたガスエンジンの全体構成図である。図２（Ａ）は前記ガスエンジンの燃焼室周りの断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。図３は第２実施例に係る光スペクトラムアナライザ装置を備えたディーゼルエンジンの全体構成図である。図４（Ａ）は前記ディーゼルエンジンの燃焼室周りの断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。図５は被測定光と波長の関係を示す説明用線図である。図６は前記実施例における光スペクトラムアナライザの構成を示す斜視図、図７は平面構成図である。

本発明の第１実施例を示す図１において、１００はガスエンジン、１０１は該ガスエンジン１００のシリンダで、この例では６シリンダのエンジンを示す。１０４はタービン１０４ａ及びコンプレッサ１０４ｂからなる過給機、１０２は吸気マニホールド、１０３は排気マニホールド、１０６は前記過給機１０４のコンプレッサ１０４ｂ出口と前記吸気マニホールド１０２とを接続する吸気管（給気通路）１０５ａは前記排気マニホールド１０３と前記過給機１０４のタービン１０４ａ入口とを接続する排気管（排気通路）である。１０５は前記タービン１０４ａの排気出口と外気とを接続する排気管（排気通路）、１１３は前記排気管１０５の設けられた排ガス浄化触媒コンバータ等の後処理装置である。

１０９はエアクリーナ、１０６は前記エアクリーナ１０９と前記前記過給機１０４のコンプレッサ１０４ｂ入口とを接続する吸気管（給気通路）である。１１０は燃料ガス（この例ではＬＮＧガス（液化天然ガス））が収容されたＬＮＧタンク、１１２は前記ＬＮＧタンク１１０の燃料出口と後述するガスミキサー１０８とを接続する燃料ガス管、１０８は前記エアクリーナ１０９を経た空気と前記燃料ガス管１１２を経た燃料ガスとを混合するガスミキサーである。
１１１は前記燃料ガス管１１２の途中に設けられた空気過剰率制御装置で、前記ＬＮＧタンク１１０からの燃料ガスに所要量の空気または排気ガスを混入して、前記ガスエンジン１００の空気過剰率を調整するものである。１１０は前記吸気管（給気通路）１０６中を流れる給気量を調整するスロットルバルブ、１０７は前記吸気管１０６ａのガスミキサー１０８下流に設置された給気温度調整用の熱交換器である。
また、図２において、１２２はシリンダヘッド、１１５はシリンダライナ、１２０は吸気弁、１１８は排気弁、１２１は吸気ポート、１１９は排気ポート、１１４はピストン、１１６は燃焼室（主燃焼室）１１７は点火プラグである。

１は光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザ、２は該光スペクトラムアナライザ１に被測定光を発射する光源である。
図６〜７は前記光スペクトラムアナライザ１の概略構造を示しており、該光スペクトラムアナライザ１は、前記光源２あるいは後述する燃焼光等からの被測定光を入射させるための入射部２２と、前記入射部２２から入射された被測定光を受ける回折格子２５と、前記入射された被測定光に対して前記回折格子２５から出射される回折光を反射面で受けて前記回折格子２５へ反射する反射体３０と、前記反射体３０から出射された反射光に対して前記回折格子２５から出射される回折光を受ける受光素子４５と、前記回折格子２５に対する前記反射体３０の反射面の角度を変化させて、前記受光素子４５が受光する光の波長を可変にする反射体駆動手段４１、４２とを備えている。

そして、前記反射体３０は、固定基板３１、３２と、該固定基板３１、３２の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩れ変形可能な軸部３３、３４と、前記軸部３３、３４の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子２５からの回折光を反射するための前記反射面が設けられた反射板３５とを有している。
また、前記反射体駆動手段４１、４２は、前記反射体３０の軸部と反射板３５とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の電気信号によって前記反射板３５に力を与えて、該反射板３５を前記固有振動数またはそれに近い振動数で往復回転させるように構成されている。
２１は基台、２２ａは前記入射部２２を構成する光ファイバー、２３は前記入射部２２を構成する光ファイバーの支持部、２４は前記入射部２２を構成するコリメートレンズ、４０は支持基板である。
図６、７に矢印で示すように、前記入射部２２から入射された被測定光は、前記回折格子２５の回折面２５ａで回折して反射体３０の反射板３５で前記回折格子２５の回折面２５ａに向けて反射し、該回折格子２５において再度回折して前記受光素子４５で受光される。

図１、２に示される第１実施例においては、前記のように構成された該光スペクトラムアナライザ１及び光源２を前記ＬＮＧタンク１１０に設置して、前記光源２から発射され前記ＬＮＧタンク１１０内の燃料ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ１で受光するように構成され、また前記光スペクトラムアナライザ１及び光源２を前記燃料ガス管１１２に設置して、前記光源２から発射され前記燃料ガス管１１２内の燃料ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ１で受光するように構成されている。

また、図１、２に示される第１実施例においては、前記該光スペクトラムアナライザ１及び光源２を吸気管１０６に設置し、前記光源２から発射され前記吸気管１０６内の給気中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ１で受光するように構成され、また、前記光スペクトラムアナライザ１及び光源２を排気管１０５の前記後処理装置１１３の上流側及び下流側に設置し（何れか一方側でもよい）前記光源２から発射され前記排気管１０５内の排気ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ１で受光するように構成されている。

さらに図１、２に示される第１実施例においては、図２のように、前記光スペクトラムアナライザ１を前記燃焼室１１６内の中央部の点火プラグ１１７近傍および該燃焼室１１６内の外周部近傍に設置して（前記中央部近傍あるいは外周部近傍の何れかでもよい）、前記燃焼室１１６内の燃焼光を受光するように構成している。
０１はコントローラで、前記ＬＮＧタンク１１０、燃料ガス管１１２、吸気管１０６、排気管１０５及び燃焼室１１６内の中央部と外周部近傍にそれぞれ設置された前記光スペクトラムアナライザ１からの透過光の検出信号が入力されて、後述するような制御、操作を行うものである。

図１、２の第１実施例において、前記燃焼室１１６内での燃焼時に発生するＯＨラジカル、ＣＨラジカル等からの燃焼光を光スペクトラムアナライザ１で高速計測により検出してコントローラ０１に入力し、該コントローラ０１において前記それぞれの燃焼光の検出値と、予め設定されたＯＨラジカルあるいはＣＨラジカルにおける失火のしきい値、あるいはＯＨラジカルにおけるノッキングのしきい値とを比較する。
そして該コントローラ０１においては、前記ＯＨラジカルあるいはＣＨラジカルの検出値が前記失火のしきい値よりも低い場合には、点火プラグ１１７の点火エネルギー、点火タイミングを調整し、あるいはパイロット燃料噴射式の場合はパイロット燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを調整し、さらには給気圧力、給気量の調整を行って、失火の発生を回避し、前記ＯＨラジカルの検出値がノッキングのしきい値を超える場合には、前記スロットルバルブ１１０の開度を調整してノッキングの発生を回避する。

従ってかかる第１実施例によれば、前記光スペクトラムアナライザ２は光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えており、図５のＡに示すように、燃焼光における極めて狭い範囲の波長を吸収し得る機能を備えているので、前記燃焼時に発生するＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分による燃焼光の波長の範囲が狭い範囲に密集していても（図５のＢ）、それぞれの燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。
これにより、前記のようなエンジン運転条件を調整するための検出因子であるＯＨラジカル、ＣＨラジカル等の燃焼成分の検出値を、燃焼室１１６内の所要の場所で高精度で得ることができ、かかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となって、失火の発生及びノッキングの発生を確実に回避したエンジンの安定運転が実現できる。
また、前記光スペクトラムアナライザ１は、光スキャナで構成された小型、高速の測定機能を備えているので、エンジン１００の高速回転運転時においても、前記各燃焼成分を各燃焼成分毎に正確に検出することができる。

また、かかる第１実施例においては、前記光スペクトラムアナライザ１を、前記燃焼室１１６内の中央部の点火プラグ１１７近傍および外周部近傍に設置して、前記燃焼室１１６内の燃焼光を受光するように構成しているので、該燃焼室１１６内の外周部近傍における高温のいわゆるエンドガス中、中央部近傍のガス中、等の燃焼室１１６内のあらゆる箇所におけるＯＨラジカルを前記光スペクトラムアナライザ１により検出して前記コントローラ０１に入力することが可能となり、該コントローラ０１による前記ＯＨラジカルの検出値を用いての前記のようなエンジン運転条件の制御によって、ノッキングの発生を確実に回避できる。

また、第１実施例において、前記光スペクトラムアナライザ１を、ガスエンジン１００の燃料ガス供給系路を構成するＬＮＧタンク１１０及び燃料ガス管１１２の空気過剰率制御装置１１１の下流側に設置し、光源２から発射され前記ＬＮＧタンク１１０あるいは燃料ガス管１１２内の燃料ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザ１で受光することにより、燃料ガス中のＣＨ_４（メタン）等の組成成分、あるいは空気過剰率制御装置１１１下流側におけるＯ_２（酸素）を検出する。
この場合、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１を用いているので、該ＣＨ_４（メタン）、Ｏ_２（酸素）等の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラ１に入力することができる。
該コントローラ１においては、かかるＣＨ_４（メタン）、Ｏ_２（酸素）等の検出値に基づき点火プラグ（図２参照）の点火タイミング、空気過剰率制御装置１１１における空気過剰率、給気圧力等を制御する。
これにより、エンジン運転条件の精緻な制御、及び失火あるいはノッキングを防止し得る空気過剰率の制御が可能となり、前記エンジン１００の高効率かつ安定運転が可能となる。

また、前記光スペクトラムアナライザ１及び光源２を排気管１０５の前記後処理装置１１３の上流側及び下流側に設置し前記光源２から発射され前記排気管１０５内の排気ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ１で受光することにより、排気ガス中の未燃ＣＨ_４（メタン）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＨＣ（炭化水素）及びＣＯ（一酸化炭素）等の有害成分を検出する。
この場合、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１を用いているので、前記検出成分における波長の範囲が狭い範囲に密集していても、それぞれの成分を各成分毎に正確に検出してコントローラ０１に入力することができ、かかる検出、制御因子を用いてエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、前記有害成分の排出を抑制できるエンジンの運転が可能となる。

また図示を省略したが、前記光スペクトラムアナライザ１をＥＧＲ（排気ガス再循環）通路に設置して、光源２から発射され前記ＥＧＲ通路中を透過した透過光からＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を検出するように構成するとともに、Ｏ_２（酸素）の検出値を該光スペクトラムアナライザ１からコントローラ０１入力し、該コントローラ０１において、前記透過光を分析して前記ＥＧＲ通路中のＯ_２濃度を検知することも可能である。
このように構成すれば、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１を用いてＥＧＲガス中の透過光を受光するので、ＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を、該Ｏ_２成分の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラ０１に入力することができ、該コントローラにおいてかかる検出、制御因子を用いてのエンジン運転条件の精緻な制御が可能となり、前記ＥＧＲガス量を目標値に制御し得るエンジンの運転が可能となる。

また図示を省略したが、前記光スペクトラムアナライザ１をエンジン１００の潤滑油通路に設置して、光源２から発射され前記潤滑油通路の潤滑油中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザ２で受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザ１は前記透過光から前記潤滑油中の金属粉あるいはカーボンの何れか一方または双方を検知するように構成することもできる。
このように構成すれば、光源２から発射され前記潤滑油通路内の潤滑油中を透過した透過光を前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１で受光することにより、潤滑油中の金属粉あるいはカーボンを検出する。この場合、該金属粉あるいはカーボンの波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラに入力することができ、かかる金属粉あるいはカーボンの検出値を監視することにより、潤滑油の劣化度を正確に検知できる。

第２実施例のディーゼルエンジンを示す図３〜図４において、２００はディーゼルエンジン、２５５は各シリンダに装着された燃料噴射弁、２５０は燃料噴射ポンプ、２０２はコモンレール、２５４はＥＧＲ（排気ガス再循環）通路、２５２はＥＧＲ弁である。
かかるディーゼルエンジン２００においては、燃焼室１１６内での燃焼時に発生するＯＨラジカルからの燃焼光を、光スペクトラムアナライザ１で高速計測により検出してコントローラ０１に入力し、該コントローラ０１において前記それぞれの燃焼光の検出値と、予め設定されたＯＨラジカルＯＨラジカルにおけるＮＯｘ及び騒音のしきい値とを比較する。
そして該コントローラ０１においては、前記ＯＨラジカルの検出値が前記ＮＯｘ及び騒音のしきい値を超えた場合には、燃料噴射ポンプ２５０の燃料噴射量及び燃料噴射タイミングを調整し、さらには給気圧力、給気量の調整を行ってＮＯｘ及び騒音を低減する。

また、かかるディーゼルエンジン２００において、前記光スペクトラムアナライザ１を前記ＥＧＲ通路２５４に設置して、光源２から発射され前記ＥＧＲ通路２５４中を透過した透過光からＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を検出するように構成するとともに、Ｏ_２（酸素）の検出値を該光スペクトラムアナライザ１からコントローラ０１入力し、該コントローラ０１において、前記透過光を分析して前記ＥＧＲ通路中のＯ_２濃度を検知する。
このように構成すれば、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１を用いてＥＧＲガス中の透過光を受光するので、ＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を、該Ｏ_２成分の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラ０１に入力することができ、該コントローラ０１においてかかる検出、制御因子を用いて、前記ＥＧＲ弁２５２の開度を精緻に制御することが可能となり、前記ＥＧＲガス量を目標値に制御し得るエンジンの運転が可能となる。

また、かかるディーゼルエンジン２００において、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ２を前記第１実施例と同様にして排気管１０５に設置し、光源から発射され前記排気通路の排気ガス中を透過した透過光からＳＯ_２（硫黄酸化物）を検出するように構成する。
このように構成すれば、前記のように構成された光スペクトラムアナライザ１を、ディーゼルエンジンの排気管１０５に設置し、光源から発射され前記排気管１０５内の排気ガス中を透過した透過光を該光スペクトラムアナライザ１で受光することにより、排気ガス中のＳＯ_２を、該ＳＯ_２の波長が他の成分の波長と近い値であっても正確に検出してコントローラ０１に入力することができ、かかるＳＯ_２検出値を用いてＳＯ_２の排出量を抑制し得るようにエンジン運転条件を精緻に制御することが可能となり、前記有害成分の排出を抑制したエンジンの運転が可能となる。
その他の構成は前記第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号示す。

本発明によれば、光スペクトラムアナライザ装置を用いてのガス成分の検出データの検出精度を上げて、かかる検出データを用いてのエンジンの安定運転、排気ガスの浄化等を実現可能とした光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関を提供できる。

本発明の第１実施例に係る光スペクトラムアナライザ装置を備えたガスエンジンの全体構成図である。（Ａ）は前記ガスエンジンの燃焼室周りの断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。第２実施例に係る光スペクトラムアナライザ装置を備えたディーゼルエンジンの全体構成図である。（Ａ）は前記ディーゼルエンジンの燃焼室周りの断面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図である。被測定光と波長の関係を示す説明用線図である。前記実施例における光スペクトラムアナライザの構成を示す斜視図第６実施例を示す図１対応図である。前記光スペクトラムアナライザ平面構成図である。

符号の説明

１００ガスエンジン
２００ディーゼルエンジン
１光スペクトラムアナライザ
２光源
０１コントローラ

Claims

燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記燃焼室内に臨んで取り付けて該光スペクトラムアナライザにより前記燃焼室内の燃焼光を受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記燃焼光を分析して前記燃焼室内の燃焼状態を判定するコントローラを備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記光スペクトラムアナライザを、前記点火手段あるいは燃料噴射弁が配置された前記燃焼室内の中央部近傍あるいは該燃焼室内の外周部近傍の何れか一方または双方に配置したことを特徴とする請求項１記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの給気通路に設置して、光源から発射され前記給気通路中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記給気通路中のガス組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記エンジンが、排気ガスの一部をＥＧＲ（排気ガス再循環）通路を通して前記給気通路に還流するＥＧＲ（排気ガス再循環）システムを備えたエンジンであって、前記光スペクトラムアナライザを前記給気通路の前記ＥＧＲ通路との合流部よりも燃焼室寄りの下流側に設置したことを特徴とする請求項３記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの排気通路に設置して、光源から発射され前記排気通路中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記排気通路中の排気ガスの組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記排気通路に排ガス浄化装置等の後処理装置を設置したエンジンであって、前記光スペクトラムアナライザを前記後処理装置の上流側あるいは下流側の何れか一方または双方に設置したことを特徴とする請求項５記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記光スペクトラムアナライザは、前記透過光から前記排気ガスの組成として該排気ガス中の未燃ＣＨ_４（メタン）を検出して前記コントローラに伝送するように構成されてなることを特徴とする請求項５または６の何れかの項に記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記光スペクトラムアナライザは、前記透過光から前記排気ガスの組成として該排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出して前記コントローラに伝送するように構成されてなることを特徴とする請求項５または６の何れかの項に記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記光スペクトラムアナライザは、前記透過光から前記排気ガスの組成として該排気ガス中のＨＣ（炭化水素）あるいはＣＯ（一酸化炭素）の何れか一方または双方を検出して前記コントローラに伝送するように構成されてなることを特徴とする請求項５または６の何れかの項に記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されるとともに、排気ガスの一部をＥＧＲ（排気ガス再循環）通路を通して給気通路に還流するＥＧＲ（排気ガス再循環）システムを備えたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ＥＧＲ通路に設置して、光源から発射され前記ＥＧＲ通路中を透過した透過光からＥＧＲガス中のＯ_２（酸素）を検出するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記給気通路中のＯ_２濃度を検知するコントローラを備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃料ガスタンクに収容された燃料ガスを燃料ガス通路を通して給気通路において空気と混合しこの混合ガスをエンジンの燃焼室に供給して着火、燃焼するように構成されたガスエンジン（ガス内燃機関）において、光源から発射され前記燃料ガス中を透過した光を受光するとともに、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ガスエンジンの燃料ガス供給系路に設置し、光源から発射され前記燃料ガス供給系路の燃料ガス中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザから入力される前記透過光を分析して前記燃料ガスの組成を検知するコントローラを備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記光スペクトラムアナライザを、前記燃料ガス供給系路を構成する燃料ガスタンクまたは燃料ガス通路の何れか一方または双方に設置し、該光スペクトラムアナライザにより燃料の組成変化を検出するように構成されてなることを特徴とする請求項１１記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
前記燃料ガス通路に空気過剰率を調整する空気過剰率調整手段を設置するとともに、前記光スペクトラムアナライザを前記空気過剰率調整手段の下流側の燃料ガス通路に設置したことを特徴とする請求項１２記載の光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたディーゼルエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記ディーゼルエンジンの排気通路に設置し、光源から発射され前記排気通路の排気ガス中を透過した透過光からＳＯ_２（硫黄酸化物）を検出するように構成されてなることを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。
燃焼室内の混合気を点火手段により着火燃焼せしめ、あるいは燃焼室内の加圧空気中に燃料噴射弁により燃料を噴射して着火燃焼せしめるように構成されたエンジン（内燃機関）において、光スキャナで構成された小型、高速の電子式測定装置であって高分解能の回折格子式分光器を備えた光スペクトラムアナライザを前記エンジンの潤滑油通路に設置して、光源から発射され前記潤滑油通路の潤滑油中を透過した透過光を前記光スペクトラムアナライザで受光するように構成するとともに、該光スペクトラムアナライザは前記透過光から前記潤滑油中の金属粉あるいはカーボンの何れか一方または双方を検知するように構成されたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ装置を備えた内燃機関。