JP2017083321A - ガス濃度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射される光の強度分布が変化したとしても、この光の一部を受光して、精度良く燃料ガスの濃度を計測することができるガス濃度計測装置を提供する。【解決手段】内燃機関１の燃焼室１４内に照射した光（赤外線）の強度の減衰量に基づいて、内燃機関１の燃焼室１４内の燃料ガスの濃度を計測する内燃機関１のガス濃度計測装置１０である。ガス濃度計測装置１０は、燃焼室１４内に光を照射する照射ファイバー５と、照射ファイバー５で照射した光を反射する反射部材４１と、反射部材４１で反射した光を受光する受光ファイバー６と、を備えており、反射部材４１は、照射された光を乱反射させる乱反射部材である。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内に照射した光の強度の減衰量に基づいて、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測するガス濃度計測装置に関する。

従来から、燃料と空気との混合気（燃料ガス）の空燃比を、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度として検出するガス濃度計測装置が利用されている。この種のガス濃度計測装置では、非分散赤外線吸収法（ＮＤＩＲ法）を利用している。

ＮＤＩＲ法を利用としたガス濃度計測装置として、例えば、特許文献１に記載のガス濃度計測装置が開示されている。このガス濃度計測装置は、燃焼室内に、赤外線などの光を照射する照射ファイバーと、照射ファイバーで照射した光を反射させる反射ミラーと、反射ミラーで反射した光を受光する受光ファイバーと、を備えている。

このガス濃度計測装置を用いることにより、照射ファイバーからの光を、点火プラグ近傍の燃焼室内の反射ミラーに向けて照射し、反射ミラーで反射した光を、受光ファイバーで受光することができる。

ここで、混合気を通過する際の光の吸収量は、燃料ガスの濃度に応じて変化する特性がある。そして、光が通過する光路内において、燃料ガス（具体的には燃料蒸気）が存在すれば、照射ファイバーからの照射光量が、受光ファイバーで受光する受光量（検出光量）よりも減少する（減衰する）。この照射光量と受光量との差（減衰量）を、ガス濃度とを関連付けて予め計測しておくことにより、燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測することができる。

特開２００４−０９３２８２号公報

しかしながら、特許文献１に示すように、照射ファイバーからの光の強度は、例えば、曲げおよび振動等により、全体的には変化しないが、その照射範囲における光の強度分布は変化する。これにより、強度分布が変化する光の一部分を、受光ファイバーで受光し、燃料ガスの濃度を計測すると、受光する光の強度は変化するため、計測誤差が生じやくなる。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とすることころは、照射される光の強度分布が変化したとしても、この光の一部を受光して、精度良く燃料ガスの濃度を計測することができるガス濃度計測装置を提供することにある。

前記課題を鑑みて、第１の発明に係るガス濃度計測装置は、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスに照射した光の減衰を利用して、前記内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測する内燃機関のガス濃度計測装置であって、前記ガス濃度計測装置は、前記燃焼室内に光を照射する照射ファイバーと、前記照射ファイバーで照射した光を反射する反射部材と、前記反射部材で反射した光の一部を受光する受光ファイバーと、を備えており、前記反射部材は、前記照射された光を乱反射させる乱反射部材であることを特徴とする。

第２の発明に係るガス濃度計測装置は、内燃機関の燃焼室内の燃料ガスに照射した光の減衰を利用して、前記内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測する内燃機関のガス濃度計測装置であって、前記ガス濃度計測装置は、前記燃焼室内に光を照射する照射ファイバーと、前記照射ファイバーで照射した光を反射させる反射ミラーと、前記反射ミラーで反射した光の一部を受光する受光ファイバーと、を備えており、前記照射ファイバーの光の出射側には、前記照射ファイバーから反射ミラーに向かう光を散乱させる散乱部材が配置されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、照射ファイバーから照射される光を、反射部材（乱反射部材）で乱反射させることができる。これにより、照射ファイバーから反射部材に照射される光の強度分布が変化したとしても、この光の強度分布の偏りを反射部材で平均化することができる。これにより、反射部材で乱反射した光の一部を受光しても、精度良く燃料ガスの濃度を計測することができる。

第２の発明によれば、照射ファイバーから出射され、反射ミラーに向かう光を、散乱部材で散乱させることができる。これにより、照射ファイバーから出射される光の強度分布が変化したとしても、この光の強度分布の偏りを散乱部材で平均化することができる。これにより、散乱部材で散乱し、反射ミラーで反射した光の一部を受光しても、精度良く燃料ガスの濃度を計測することができる。

本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置を備えた内燃機関の模式的断面図である。 図１に示すガス濃度計測装置の要部の模式的断面図である。 従来のガス濃度計測装置の要部の模式的断面図である。 従来のガス濃度計測装置における赤外線の状態を説明するための模式図である。 （ａ）は、従来のガス計測装置の課題を確認するための装置概略図であり、（ｂ）は、発光器から照射された全照射範囲内および検出範囲内における赤外線の光量変化率（強度変化率）を示したグラフである。 第１実施形態に係るガス濃度計測装置における赤外線の状態を説明するための模式図である。 第２実施形態に係るガス濃度計測装置の要部の模式的断面図である。 第２実施形態に係るガス濃度計測装置における赤外線の状態を説明するための模式図である。 第３実施形態に係るガス濃度計測装置の要部の模式的断面図である。 第３実施形態に係るガス濃度計測装置における赤外線の状態を説明するための模式図である。 （ａ）は、反射部材に照射された赤外線（照射光）の乱反射（拡散反射）を説明するための図であり、（ｂ）は、散乱部材に照射された赤外線（照射光）の散乱を説明するための図である。

以下に、本発明の３つの実施形態を、図１〜１１を参照して説明する。

〔第１実施形態（第１の発明）〕
図１は、第１実施形態に係るガス濃度計測装置１０を配置した内燃機関１の模式的断面図であり、図２は、図１に示すガス濃度計測装置１０の要部の模式的断面図である。

図１に示すように、内燃機関１は、エンジンヘッド１６とシリンダブロック１７とを備えている。内燃機関１には、燃料と空気が混合した混合気（燃料ガス）を吸気する吸気ポート２０と、吸気ポート２０から吸気された燃料ガスを燃焼させる燃焼室１４と、燃焼室１４内で燃焼させた燃料ガスを排ガスとして排気する排気ポート２２と、が形成されている。

吸気ポート２０には、吸気バルブ１９が取り付けられており、排気ポート２２には、排気バルブ２１が取り付けられており、所定の行程において、これらのポート２０，２２が開閉するように、これらのバルブ１９，２１が動作する。

燃焼室１４の上方には、点火プラグ２３が配置されている。より具体的には、図２に示すように、点火プラグ２３は、プラグポケット３１内に中心電極３を備えており、中心電極３の周りには、中心電極３の先端が露出するように、碍子２が被覆されている。碍子２から露出した中心電極３の先端は、接地電極４に対向している。

これにより、図１に示す、点火コイル１３で、中心電極３と接地電極４の間に電圧を印加し、この電圧の印加で発生したスパークにより、燃焼室１４内の燃料ガスの燃料を燃焼することができる。このような結果、シリンダブロック１７内のピストン１８を介して、車両に動力を伝達することができる。

本実施形態では、内燃機関１は、ガス濃度計測装置１０をさらに備えており、点火プラグ２３の一部は、ガス濃度計測装置１０のハウジング２４の一部を兼ねている。図１に示すように、ガス濃度計測装置１０は、赤外線を発光する発光器１１と、赤外線を受光（検出）する受光器（検出器）１２と、を備えている。

図２に示すように、ガス濃度計測装置１０は、燃焼室１４内に赤外線を照射する照射ファイバー５と、照射ファイバー５で照射した赤外線を反射する反射部材４１と、反射部材４１で反射した赤外線Ｒ２の一部を受光する受光ファイバー６と、を備えている。照射ファイバー５、反射部材４１、および受光ファイバー６は、点火プラグ２３のハウジング２４に取付けられている。

照射ファイバー５と受光ファイバー６は、マルチモードファイバー（ＭＭＦ）であり、これらは、ファイバー保護管３０内で並設されている。照射ファイバー５と受光ファイバー６の先端には、透明な素材からなる保護部材（保護窓）１５が配置されている。これにより、保護部材１５で照射ファイバー５と受光ファイバー６の先端が、燃焼室の圧力、熱から保護される。

照射ファイバー５の一端は、発光器１１に取付けられ、発光器１１からの赤外線（例えば、Ｈｅ‐Ｎｅレーザー）は、照射ファイバー５を通過し、照射ファイバー５から出射される。赤外線には、波長が３．３９μｍの波長帯のものが良く用いられるが、後述する燃料ガスに照射した光が減衰するものであれば、この波長帯の赤外線に限定されるものではない。照射ファイバー５の他端（先端）は、照射ファイバー５から出射する赤外線Ｒ１が、反射部材４１に誘導（照射）されるように、配置されている。

反射部材４１は、照射ファイバー５および受光ファイバー６の先端に対向する位置、すなわち、保護部材１５に対向する位置に配置されており、ハウジング２４の支持部７に取付けられている。なお、反射部材４１の詳細は、後述する。

受光ファイバー６の一端（先端）は、反射部材４１に向けられており、反射部材４１で反射した赤外線Ｒ２の一部は、受光ファイバー６の一端から受光される。受光ファイバー６の他端は、受光器１２に接続されている。受光された赤外線の強度は、燃料ガスへの照射により減衰しており、この強度、またはこの強度の減衰量から、燃焼室１４内の燃料ガスの濃度を算出（計測）する。

図３は、従来のガス濃度計測装置９０の要部の模式的断面図であり、図４は、従来のガス濃度計測装置９０における赤外線の状態を説明するための模式図である。これまでは、図３に示すように、照射ファイバー５からの赤外線Ｒ１の反射に、反射ミラー８を用いていた。これにより、図４に示すように、照射ファイバー５から照射された赤外線Ｒ１は、そのまま反射ミラー８の反射面で反射し、反射した赤外線Ｒ２のうち、受光ファイバー６に向かう赤外線を、受光ファイバー６で受光していた。すなわち、反射した赤外線Ｒ２の照射範囲の一部の赤外線が、受光ファイバー６で受光されていた。

しかしながら、図３に示す、ガス濃度計測装置９０を用いた場合、ガス濃度の計測誤差が大きくなることがあった。この計測誤差は、照射ファイバー５の形状および照射ファイバー５への振動等により、赤外線の強度分布が変化することに起因すると、発明者らは考えた。

そこで、発明者らは、この点を確認すべく、図５（ａ）に示す装置を準備した。図５（ａ）は、従来のガス計測装置の課題を確認するための装置概略図である。ここでは、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３８ｎｍ）である赤外線を発光する発光器を準備し、発光器からの赤外線をレンズで集光した後、長さ７００ｍｍの照射ファイバーを通過させ、通過した赤外線の強度分布をビームプロファイラで計測した。

計測時には、形状ａから形状ｃのように、ランダムに照射ファイバーの曲げ量を、中央位置で、最大５０ｍｍの範囲で変更し、その際の赤外線の光量変化を１０回計測した。

図５（ｂ）の右側は、発光器から照射された全照射範囲（円領域）内における各赤外線の光量変化率（強度変化率）を示したグラフである。図５（ｂ）の左側は、検出範囲に相当する部分的な範囲（全照射範囲の円領域に対して３分の１の直径の円領域）内における各赤外線の光量変化率（強度変化率）を示したグラフである。なお、各光量変化率（各強度変化率）は、以下の式：各光量変化率（％）＝〔（各計測光量）／（光量の平均値）−１〕×１００（％）から算出した。

図５（ｂ）に示すように、照射ファイバーの形状を変化させた場合には、全照射範囲内における赤外線の強度の変化はほとんどなかった。しかしながら、検出範囲に相当する部分的な範囲における赤外線の強度は、最大で１２％程度、変化することがわかった。

ここで、上述したように、図４に示す検出面６ａにおいて、反射面で反射した赤外線Ｒ２の照射範囲のうち、その一部である検出範囲において、赤外線Ｒ２が受光される。しかしながら、上述した照射ファイバーの曲げおよび振動等により、照射範囲における赤外線Ｒ２の強度分布が変化するため、その一部である受光範囲（検出範囲）の赤外線Ｒ２の強度は変化し、この強度の変化が、計測誤差に影響を与えると考えられる。

このような点を鑑みて、本実施形態では、反射部材４１に照射された赤外線を、その表面（反射面）で乱反射させる乱反射部材を用いた。具体的には、反射部材４１は、赤外線が照射される表面が梨地状表面（またはスリガラス状表面）である、高反射率を有した金属（例えばアルミニウム、金など）からなる。これにより、図１１（ａ）に示すように、反射部材４１に照射された赤外線（照射光）は、（反射部材４１の）反射面で乱反射（拡散反射）する。

図２および図６に示すように、照射ファイバー５から、反射部材４１に反射された赤外線Ｒ１は、反射部材４１の反射面（乱反射面）で乱反射し、その強度分布は平均化される。これにより、照射ファイバー５から反射部材４１に照射される光の強度分布が変化したとしても、この光の強度分布の偏りを反射部材４１で平均化することができる。このような結果、反射部材４１で乱反射した赤外線（乱反射光）の一部を、受光ファイバー６で受光し、受光した赤外線の強度から精度良く燃料ガスの濃度を計測することができる。

〔第２実施形態（第２の発明）〕
図７は、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａの要部の模式的断面図であり、図８は、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａにおける赤外線の状態を説明するための模式図である。

第２実施形態のガス濃度計測装置１０Ａが、第１実施形態のものと相違する点は、照射ファイバー５の赤外線の出射側に、散乱部材４２を設けた点と、反射部材４１を、反射ミラー８にした点である。それ以外の構成は、第１実施形態と同じ構成であるので、第１実施形態の符号と同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａは、照射ファイバー５の光の出射側に、照射ファイバー５から反射ミラー８に向かう赤外線を散乱させる散乱部材４２が配置されている。

具体的には、散乱部材４２は、照射ファイバー５と保護部材１５との間に配置されている。散乱部材４２は、図１１（ｂ）に示すように、赤外線（照射光）を散乱させて散乱光にし、これを透過する部材であり、たとえば、スリガラス、または表面がスリガラス状の樹脂等を挙げることができる。ファイバー先端がスリ状（スリガラス状）で直接散乱光を照射できるようにし、保護ガラスは透明にした仕様でも同様の効果が得られる。

このようにして、照射ファイバー５から出射され、反射ミラー８に向かう赤外線を、散乱部材４２で散乱させることができる。これにより、照射ファイバー５から出射される赤外線の強度分布が変化したとしても、この光の強度分布の偏りを散乱部材４２で平均化することができる。これにより、散乱部材４２で散乱し、反射ミラーで反射した赤外線（反射した散乱光）の一部を、受光ファイバー６で受光し、受光した赤外線の強度から精度良く燃料ガスの濃度を計測することができる。

なお、散乱した赤外線Ｒ１は、反射ミラー８の表面のうち、受光ファイバー６の受光可能範囲で反射することが重要である。受光ファイバー６の受光側において、レンズ等の集光用の光学系が配置されていない場合には、この受光可能範囲は、ファイバー固有の開口率で規定される角度範囲となる。

〔第３実施形態（第１の発明）〕
図９は、第３実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ｂの要部の模式的断面図であり、図８は、第３実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ｂにおける赤外線の状態を説明するための模式図である。

第３実施形態のガス濃度計測装置１０Ｂが、第１実施形態のものと相違する点は、照射ファイバー５の赤外線の出射側に、集光用レンズ５１を設けた点であり、それ以外の構成は、第１実施形態と同じ構成であるので、第１実施形態の符号と同じ符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図９および図１０に示すように、本実施形態では、照射ファイバー５の赤外線の出射側に、集光用レンズ５１を設けており、集光用レンズ５１は、反射部材（乱反射部材）４１の表面のうち、受光ファイバー６の受光可能範囲で、赤外線Ｒ１を集光させるように配置されている。具体的には、集光用レンズ５１は、照射ファイバー５と保護部材１５との間に配置されている。

これにより、集光用レンズ５１により集光された赤外線Ｒ１は、反射部材（乱反射部材）４１の表面のうち、受光ファイバー６の受光可能範囲で乱反射するので、第１実施形態に比べて、より強度の高い赤外線Ｒ１を、反射部材４１で乱反射させることができる。

また、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａと対比すると、第３実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ｂの反射面から検出面６ａまでの距離（図１０参照）は、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａの散乱面５ａから検出面６ａまでの距離（図８）の半分となっている。したがって、第３実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ｂは、第２実施形態に係るガス濃度計測装置１０Ａのものよりも、受光ファイバー６により受光される赤外線の受光感度を、４倍程度高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：内燃機関、５：照射ファイバー、６：受光ファイバー、８：反射ミラー、１０，１０Ａ，１０Ｂ：ガス濃度計測装置、１４：燃焼室、４１：反射部材（乱反射部材）、４２：散乱部材。

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室内の燃料ガスに照射した光の減衰を利用して、前記内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測する内燃機関のガス濃度計測装置であって、
   前記ガス濃度計測装置は、前記燃焼室内に光を照射する照射ファイバーと、
   前記照射ファイバーで照射した光を反射する反射部材と、
   前記反射部材で反射した光の一部を受光する受光ファイバーと、を備えており、
   前記反射部材は、前記照射された光を乱反射させる乱反射部材であることを特徴とする内燃機関のガス濃度計測装置。
2. 内燃機関の燃焼室内の燃料ガスに照射した光の減衰を利用して、前記内燃機関の燃焼室内の燃料ガスの濃度を計測する内燃機関のガス濃度計測装置であって、
   前記ガス濃度計測装置は、前記燃焼室内に光を照射する照射ファイバーと、
   前記照射ファイバーで照射した光を反射させる反射ミラーと、
   前記反射ミラーで反射した光の一部を受光する受光ファイバーと、を備えており、
   前記照射ファイバーの光の出射側には、前記照射ファイバーから反射ミラーに向かう光を散乱させる散乱部材が配置されていることを特徴とする内燃機関のガス濃度計測装置。

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