JP2017191008A - 内燃機関用燃料ガス濃度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の筒内ガス濃度を正確に計測することができる内燃機関用燃料ガス濃度計測装置を提供すること。【解決手段】内燃機関燃料ガス濃度検出装置１は、点火プラグ３０内に、光源１０と受光強度検出部２０に光学的に接続され、光源１０の光を先端側Ｙ１の光学素子端部４１から出射し、光学素子端部４１から入射した光を受光強度検出部２０に伝送する光学素子４０を備える。接地電極３５は光学素子端部４１と対向する位置に光学素子端部４１からの出射光を光学素子端部４１に反射する反射部５０を有する。光学素子端部４１と反射部５０の間には被計測部６０が形成され、被計測部６０を透過して光学素子端部４１に入射した光の強度の減衰に基づき燃料ガス濃度を計測する。中心電極３１の先端部３２との間に放電部Ｇを形成する接地電極チップ３６は、接地電極３５において光学素子端部４１をプラグ軸方向Ｙに投影した投影領域Ｓ１の外側に位置している。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用燃料ガス濃度計測装置に関する。

従来、内燃機関の筒内ガスの空燃比を検出するための装置として、内燃機関に取り付けられる点火プラグに、非分散赤外吸光法（すなわち、ＮＤＩＲ法）を利用したガスセンサを一体的に設けたものがある。例えば、特許文献１には、従来の一般的な量産型の点火プラグの構成にガスセンサを一体化した装置が開示されている。具体的には、まず、当該量産型の点火プラグは、プラグ軸方向に延びる棒状の中心電極と、該中心電極を内側に保持する筒状の絶縁碍子と、該絶縁碍子を内側に保持するハウジングと、該ハウジングの先端に形成されて中心電極の先端部に対向するように設けられた接地電極とを備える。そして、当該量産型の点火プラグにおいて、中心電極の内部に中心電極に沿ってサファイアからなる光学素子を設けるとともに、接地電極における光学素子の先端部に対向する位置に反射部を設け、さらに新たな接地電極を中心電極の先端部の側方に設けている。そして、光学素子は光源及び受光強度検出部に光学的に接続されている。かかる構成を有する特許文献１の装置では、光学素子の先端部から光を放射し、当該放射光を反射部によって光学素子の先端部に反射させて、当該反射光を検出することにより、当該先端部と反射部との間のガス濃度を検出して、混合気の空燃比を計測する。

特開２００４−９３２８２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、量産型の点火プラグにおける接地電極とは別に、新たな接地電極を中心電極の先端部の側方に設けている。そのため、中心電極と当該新たな接地電極との間に形成された放電部における気流の形成が、当該新たな接地電極とは別部材に設けられた反射部により阻害される。その結果、当該構成では、量産型の点火プラグの放電部における気流が再現されず、量産型の点火プラグにおける空燃比を正確に導き出すことができない。特に、直噴型の内燃機関では、混合気が成層化されており、混合気濃度に空間的分布があるため、わずかな空間位置の違いによっ混合気濃度が大きく異なる場合があることから、空燃比を正確に導き出すことが一層困難となっている。

さらに、特許文献１の構成では、中心電極は筒状の絶縁碍子の内側に保持されており、新たな接地電極が中心電極の先端部の側方に設けられている。したがって、中心電極と接地電極との間の放電部は絶縁碍子と近い位置に形成されることとなる。そのため、当該放電部に形成された初期火花が絶縁碍子によって冷却され易い。その結果、量産型の点火プラグに比べて着火性が劣るため、リーン燃焼させる内燃機関では混合気に着火できない場合があり、空燃比を正確に算出できない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、空燃比を算出するために、内燃機関の筒内ガス濃度を正確に計測することができる内燃機関用燃料ガス濃度計測装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を出射する光源（１０）と、
光の強度を検出する受光強度検出部（２０）と、
中心電極（３１）と接地電極（３５）とを有するとともに、上記中心電極の先端部と上記接地電極に備えられた接地電極チップ（３６）との間に放電部（Ｇ）が形成された点火プラグ（３）と、
該点火プラグの中心線（３０ａ）に沿うように上記中心電極の内部に設けられて上記光源及び上記受光強度検出部に光学的に接続され、上記光源の光をプラグ軸方向（Ｙ）の先端側（Ｙ１）の端部である光学素子端部（４１）から出射するとともに、上記光学素子端部から入射した光を上記受光強度検出部に伝送する光学素子（４０）と、
上記接地電極における上記光学素子端部と対向する位置に形成されて上記光学素子端部から出射された光を上記光学素子端部に向けて反射する反射部（５０）と、
上記光学素子端部と上記反射部との間の空間であって、上記光学素子端部から出射されて上記反射部により反射される光が透過する被計測部（６０）と、
を備え、該被計測部を透過して上記光学素子端部から入射した光の強度の減衰に基づいて燃料ガス濃度を計測するように構成されており、
上記接地電極チップが、上記接地電極において、上記光学素子端部をプラグ軸方向に投影してなる投影領域（Ｓ１）の外側に位置している、内燃機関用燃料ガス濃度計測装置（１）にある。

上記内燃機関用燃料ガス濃度計測装置においては、反射部と接地電極チップがいずれも接地電極に形成されて、一体的に構成されている。これにより、反射部とは別部材の接地電極を設ける必要がないため、放電部の気流形成が阻害されにくく、上記量産型の点火プラグの場合と同様の気流形成を再現できる。そのため、内燃機関の筒内ガス濃度を正確に計測することができ、空燃比を正確に導き出すことができる。これにより、直噴型の内燃機関において成層化された混合気においても、ガス濃度を正確に計測することができ、空燃比を正確に導き出すことが容易となる。

さらに、接地電極チップが、接地電極において、光学素子端部をプラグ軸方向に投影してなる投影領域の外側に位置している。これにより、接地電極チップにより、光学素子端部から出射された光が被計測部を進行するのを妨げられることが防止される。その結果、被計測部におけるガス濃度を一層正確に計測することができ、空燃比を一層正確に導き出すことができる。

さらに、放電部が量産型の点火プラグと略同様の位置に形成されるため、量産型の点火プラグの場合に比べて初期火花が絶縁碍子によって冷却され易いということもない。その結果、量産型の点火プラグと同等の着火性が得られ、量産型の点火プラグにおける空燃比を再現することができる。

以上のごとく、本発明によれば、空燃比を正確に導き出すために、内燃機関の筒内ガス濃度を正確に計測することができる内燃機関用燃料ガス濃度計測装置を提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、内燃機関用燃料ガス濃度計測装置の構成を表す模式図。 実施形態１における、点火プラグの断面模式図。 図２における、放電部及びその周囲の一部拡大図。 図３における、放電部及びその周囲の斜視図。 実施形態１の変形形態１における、放電部及びその周囲の断面一部拡大図。 実施形態１の変形形態２における、放電部及びその周囲の断面一部拡大図。 実施形態２における、放電部及びその周囲の断面一部拡大図。

（実施形態１）
内燃機関用燃料ガス濃度計測装置の実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の内燃機関用燃料ガス濃度計測装置１（以下、ガス濃度検出装置１ともいう）は、図１に示すように、光源１０、受光強度検出部２０、点火プラグ３０、光学素子４０、反射部５０、被計測部６０を備えている。
光源１０は、燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を出射する。
受光強度検出部２０は、光の強度を検出する。
図２に示すように、点火プラグ３０は、中心電極３１と接地電極３５とを有するとともに、中心電極３１の先端部３２と接地電極３５に備えられた接地電極チップ３６との間に放電部Ｇが形成されている。

図１、図２に示すように、光学素子４０は、点火プラグ３０の中心線３０ａに沿うように中心電極３１の内部に設けられて光源１０及び受光強度検出部２０に光学的に接続され、光源１０の光をプラグ軸方向Ｙにおける先端側Ｙ１の端部である光学素子端部４１から出射するとともに、光学素子端部４１から入射した光を受光強度検出部２０に伝送する。
図２、図３に示すように、反射部５０は、接地電極３５における光学素子端部４１と対向する位置に形成されて光学素子端部４１から出射された光を光学素子端部４１に向けて反射する。

図３に示すように、被計測部６０は、光学素子端部４１と反射部５０との間の空間であって、光学素子端部４１から出射されて反射部５０により反射される光が透過する。
そして、ガス濃度検出装置１は被計測部６０を透過して光学素子端部４１から入射した光の強度の減衰に基づいて燃料ガス濃度を計測するように構成されている。
接地電極チップ３６が、接地電極３５において、光学素子端部４１をプラグ軸方向Ｙに投影してなる投影領域Ｓ１の外側に位置している。

なお、図１に示すように、ガス濃度検出装置１において、燃焼室１０１へ挿入される側を先端側Ｙ１、その反対側を基端側Ｙ２とする。また、本明細書において、プラグ軸方向Ｙとは、図２に示すように、点火プラグ３０の中心軸３０ａに平行な方向を意味する。

以下、本実施形態のガス濃度検出装置１について、詳述する。
図１に示すように、本実施形態にでは、ガス濃度検出装置１は、直噴型の内燃機関１００の燃焼室１０１に取り付けられている。
ガス濃度検出装置１は、燃焼室１０１内の混合気に点火するための点火プラグ３０を含んでいる。点火プラグ３０は、図２に示すように、略棒状の中心電極３１と、中心電極３１を内側に保持する筒状の絶縁碍子３７と、絶縁碍子３７を内側に保持する筒状のハウジング３８を備える。そして、ハウジング３８におけるプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１の端部３８１に接地電極３５が突出形成されている。ハウジング３８及び接地電極３５の形成材料は、例えば、インコネル、ＳＵＳ３１６とすることができる。

図２、図３に示すように、絶縁碍子３７におけるプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１の先端部３７１は、ハウジング３８の先端側Ｙ１の端部３８１よりも先端側Ｙ１に位置している。また、中心電極３１の先端部３２は、絶縁碍子３７の先端部３７１よりも先端側Ｙ１に位置している。中心電極３１の形成材料は、後述の光学素子４０の形成材料が有する熱膨張係数と近い熱膨張係数を有する金属材料からなることが好ましい。両者をメタライズして接合することが容易となるからである。本実施形態では、中心電極３１はコバールからなる。

そして、本実施形態において、点火プラグ３０における中心電極３１、接地電極３５、絶縁碍子３７、ハウジング３８の配置は、従来の量産型の点火プラグの場合と同等となっている。

さらに、本実施形態の点火プラグ３０には、図２、図３に示すように、光学素子４０が設けられている。光学素子４０は、点火プラグ３０の中心軸３０ａに沿って中心電極３１の内部に位置している。光学素子４０は赤外領域の波長の光の吸収率が低い材料からなることが好ましく、本実施形態では、サファイアからなる。本例では、光学素子４０の先端側Ｙ１の端部である光学素子端部４１は、プラグ軸方向Ｙにおいて、中心電極３１の先端部３２と同じ位置に位置している。すなわち、光学素子端部４１と先端部３２とが面一となっている。

図１に示すように、光学素子４０のプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２の端部である基端部４２には、光ファイバ１１が接続されている。光ファイバ１１の一端１１ａは光学素子４０の基端部４２に接続され、光ファイバ１１の他端１１ｂは二股に分かれて第１端部１１１が光源１０に接続され、第２端部１１２が受光強度検出部２０に接続されている。これにより、光源１０から放射された光は、光ファイバ１１の第１端部１１１から、光ファイバ１１に入射して光ファイバ１１を伝播して、一端１１ａから光学素子４０の基端部４２に入射する。光学素子４０の基端部４２から入射した光は、図３において符号Ｆ１で示すように、光学素子４０の光学素子端部４１から出射される。

光源１０は、燃料の蒸気に吸収されて強度が減衰する特定の波長の光を出射するように構成されている。例えば、光源１０として、波長が１．３〜１．４μｍ、３．３９μｍ、４．３μｍ等の赤外線レーザ光を出射することができるものを採用することができる。本例では、光源１０として、出射光の波長が可変であるものを採用し、測定対象となる燃料ガスの成分に応じて、出射光の波長を変更して使用している。

点火プラグ３０に設けられる接地電極３５は、図２、図３に示すように、中心電極３１の先端側Ｙ１の先端部３２と所定間隔をおいて対向するように屈曲された屈曲部３５１を有している。そして、図３、図４に示すように、屈曲部３５１において、光学素子端部４１に対向する領域Ｓ０に、光学素子端部４１から放射される光を光学素子端部４１に向けて反射する反射部５０が形成されている。

屈曲部３５１において、反射部５０は、投影領域Ｓ１を内包して投影領域Ｓ１よりも広い領域に形成されていることが好ましい。本例では、図３に示すように、反射部５０は、屈曲部３５１において、投影領域Ｓ１及び中心電極３１の先端部３２に対向する投影領域Ｓ２を含んだ領域Ｓ０に形成されている。反射部５０は、例えば、領域Ｓ０に鏡面処理を施したり、領域Ｓ０に反射率の高い金属皮膜を形成したりすることにより形成することができる。そして、光学素子端部４１と反射部５０との間に被計測部６０が形成される。後述するように、被計測部６０に存在する混合気における燃料ガス濃度が計測されることとなる。

図３、図４に示すように、接地電極３５には、屈曲部３５１に接地電極チップ３６が形成されている。接地電極チップ３６は、中心電極３１の先端部３２との間に放電部Ｇを形成している。すなわち、点火プラグ３０は、中心電極３１の先端部３２と接地電極チップ３６との間に火花放電を発生させて、周囲の燃料ガスを着火するように構成されている。接地電極チップ３６は、例えば、イリジウム、白金等の合金からなる。接地電極チップ３６は、接地電極３５において、光学素子端部４１をプラグ軸方向Ｙに投影してなる投影領域Ｓ１の外側に位置している。さらに、本例では、図３に示すように、接地電極チップ３６の少なくとも一部が、接地電極３５において、中心電極３１の先端部３２をプラグ軸方Ｙに投影してなる投影領域Ｓ２に位置している。

図３に示すように、光学素子端部４１から放射された光Ｆ１は、被計測部６０を通過して反射部５０に到達し、当該反射部５０によって光学素子端部４１に向けて反射される。当該反射光Ｆ２は、被計測部６０を通過して、光学素子端部４１から光学素子４０に入射する。光学素子端部４１から放射された光Ｆ１及び反射光Ｆ２は、被計測部６０を通過する際に被計測部６０に存在する燃料ガスによってその一部が吸収されることとなる。そして、光学素子端部４１から入射した光は、光学素子４０の基端部４２から光ファイバ１１を介して第２端部１１２に接続された受光強度検出部２０に伝播され、その強度が検出される。そして、図１に示すように、受光強度検出部２０に接続されたガス濃度演算手段２１により、当該光の強度に基づいてガス濃度が算出される。

次に、本実施形態のガス濃度検出装置１における作用効果について、詳述する。
本例のガス濃度計測装置１によれば、反射部５０と接地電極チップ３６がいずれも接地電極３５に形成されて、一体的に構成されている。これにより、反射部５０とは別部材の接地電極を設ける必要がないため、放電部Ｇの気流形成が阻害されにくく、従来の量産型の点火プラグの場合と同様の気流形成を再現できる。そのため、内燃機関１００の燃焼室１０１内のガス濃度を正確に計測することができ、空燃比を正確に導き出すことができる。これにより、本実施形態のように、直噴型の内燃機関１００において成層化された混合気においても、ガス濃度を正確に計測することができ、空燃比を正確に導き出すことができる。

さらに、接地電極チップ３６が、接地電極３５において、光学素子端部４１をプラグ軸方向Ｙに投影してなる投影領域Ｓ１の外側に位置している。これにより、接地電極チップ３６により、光学素子端部４１から出射された光Ｆ１が被計測部６０を進行するのを妨げられることが防止される。その結果、被計測部６０におけるガス濃度を一層正確に計測することができ、空燃比を一層正確に導き出すことができる。

さらに、放電部Ｇが量産型の点火プラグと略同様の位置に形成されるため、量産型の点火プラグの場合に比べて初期火花が絶縁碍子３７によって冷却され易いということもない。その結果、量産型の点火プラグと同等の着火性が得られ、量産型の点火プラグにおける空燃比を再現することができる。

また、本実施形態では、接地電極チップ３６の少なくとも一部が、接地電極３５において、中心電極３１の先端部３２をプラグ軸方向Ｙに投影してなる投影領域Ｓ２の内側に位置している。これにより、接地電極チップ３６が中心電極３１の先端部３２に近接して配置されることとなるため、放電部Ｇにおける火花放電の発生を促すことができる。

なお、本実施形態では、接地電極３５の屈曲部３５１の先端部に接地電極チップ３６を取り付けたが、これに替えて、図５に示す変形形態１のように、屈曲部３５１の先端部をプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に屈曲させて、当該先端屈曲部を接地電極チップ３６０としてもよい。この場合においても、本実施形態と同等の作用効果を奏する。

なお、本実施形態では、接地電極チップ３６は一つ備えられていることとしたが、これに限定されず、複数備えられていてもよい。例えば、図６に示す変形形態２のように、接地電極チップ３６が２個備えられていてもよい。当該変形形態では、光学素子端部４１を投影してなる投影領域Ｓ１を挟むように接地電極チップ３６が設けられている。そして、両接地電極チップ３６は中心電極３１の先端部３２との距離が同一となるように配置されている。放電部Ｇにおける放電はのいずれかの接地電極チップ３６との間で生じるが、両接地電極チップ３６は中心電極３１の先端部３２との距離が同一のため、放電が一方に偏りにくくなっている。これにより、放電によって光学素子端部４１における放電部Ｇに近接する部分に生じる損傷を分散させて、光学素子端部４１の損傷が局所的に大きくなることを抑制することができる。これにより、当該ガス濃度検出装置１の長寿命化に寄与する。

以上のごとく、本実施形態によれば、空燃比を正確に導き出すために、内燃機関の筒内ガス濃度を正確に計測することができるガス濃度計測装置１を提供することができる。

（実施形態２）
実施形態１のガス濃度計測装置１では、図３に示すように、光学素子端部４１と中心電極３１の先端部３２とが面一となっていることとしたが、これに替えて、本実施形態のガス濃度計測装置１では、図７に示すように、光学素子端部４１は、中心電極３１の先端部３２よりも基端側Ｙ２に位置している。本実施形態では、プラグ軸方向Ｙにおける中心電極３１の先端部３２と光学素子端部４１との距離、すなわち、凹み量Ｐは、例えば、１．０ｍｍとすることができる。
なお、本実施形態において、実施形態１と同等の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のガス濃度計測装置１では、光学素子端部４１が中心電極３１の先端部３２よりも基端側Ｙ２に位置していることにより、光学素子端部４１が放電部Ｇから離隔することとなる。これにより、放電部Ｇにおいて発生する火花放電により光学素子端部４１が損傷を受けることが抑制され、被計測部を通過した光の強度を正確に検出することができる。

さらに、本実施形態のガス濃度計測装置１では、図７に示すように、点火プラグ３０は、中心電極３１を内側に保持する円筒形の絶縁碍子３７を備えており、絶縁碍子３７の先端部３７１は中心電極３１の先端部３２よりも基端側Ｙ２に位置しており、光学素子端部４１は絶縁碍子３７１の上記先端部３７１よりも先端側Ｙ１に位置している。これにより、光学素子端部４１が放電部Ｇから所定範囲で離隔するため、上述の如く、放電部Ｇにおいて発生する火花放電により光学素子端部４１が損傷を受けることが抑制されるとともに、光学素子端部４１が放電部Ｇから離隔しすぎないため、放電部Ｇにおける気流のガス濃度を一層正確に測定することができる。なお、本実施形態においても、実施形態１の作用効果を奏する。

本発明は上記各実施形態及び変形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、変形形態１又は変形形態２における接地電極チップ３６、３６０の構成と、実施形態２における光学素子端部４１の構成とを組み合わせたものとしてもよい。

１ 内燃機関用燃料ガス濃度計測装置
１０ 光源
２０ 受光強度検出部
３０ 点火プラグ
３１ 中心電極
３２ 先端部
３５ 接地電極
３６ 接地電極チップ
４０ 光学素子
４１ 光学素子端部
５０ 反射部
６０ 被計測部
Ｓ１、Ｓ２ 投影領域

Claims (5)

1. 燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定波長の光を出射する光源（１０）と、
   光の強度を検出する受光強度検出部（２０）と、
   中心電極（３１）と接地電極（３５）とを有するとともに、上記中心電極の先端部（３２）と上記接地電極に備えられた接地電極チップ（３６）との間に放電部（Ｇ）が形成された点火プラグ（３０）と、
   該点火プラグの中心線（３０ａ）に沿うように上記中心電極の内部に設けられて上記光源及び上記受光強度検出部に光学的に接続され、上記光源の光をプラグ軸方向（Ｙ）における先端側（Ｙ１）の端部である光学素子端部（４１）から出射するとともに、上記光学素子端部から入射した光を上記受光強度検出部に伝送する光学素子（４０）と、
   上記接地電極における上記光学素子端部と対向する位置に形成されて上記光学素子端部から出射された光を上記光学素子端部に向けて反射する反射部（５０）と、
   上記光学素子端部と上記反射部との間の空間であって、上記光学素子端部から出射されて上記反射部により反射される光が透過する被計測部（６０）と、
   を備え、該被計測部を透過して上記光学素子端部から入射した光の強度の減衰に基づいて燃料ガス濃度を計測するように構成されており、
   上記接地電極チップが、上記接地電極において、上記光学素子端部をプラグ軸方向に投影してなる投影領域（Ｓ１）の外側に位置している、内燃機関用燃料ガス濃度計測装置（１）。
2. 上記光学素子端部は、上記中心電極の上記先端部よりも基端側（Ｙ２）に位置している、請求項１に記載の内燃機関用燃料ガス濃度計測装置。
3. 上記点火プラグは、上記中心電極を内側に保持する円筒形の絶縁碍子（３７）を備えており、該絶縁碍子の先端部（３７１）は上記中心電極の上記先端部よりも基端側に位置しており、上記光学素子端部は上記絶縁碍子の上記先端部よりもプラグ軸方向の先端側に位置している、請求項２に記載の内燃機関用燃料ガス濃度計測装置。
4. 上記接地電極チップは、複数備えられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用燃料ガス濃度計測装置。
5. 上記接地電極チップの少なくとも一部が、上記接地電極において、上記中心電極の上記先端部をプラグ軸方向に投影してなる投影領域（Ｓ２）の内側に位置している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関用燃料ガス濃度計測装置。

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