JP2019109075A

JP2019109075A - ガス温度計測装置

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Publication number: JP2019109075A
Application number: JP2017240611A
Authority: JP
Inventors: 俊樹森田; Toshiki Morita; 亮太阿部; Ryota Abe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: JP6897540B2

Abstract

【課題】反射部の変質による測定精度の低下を抑制することができるガス温度計測装置の提供。【解決手段】ガス温度計測装置（１００）は、光を出射する光源（４）と、光源（４）から出射された光（Ｌ１）を通過させて、内燃機関（Ｅ１）の燃焼室（Ｒ１）内に導く光透過デバイス（１ａ）と、燃焼室（Ｒ１）内に導かれた光（Ｌ１）を反射する反射部（２、３）と、反射部（２、３）に反射された光（Ｌ２）を検出する受光部（５）と、を備える。反射部（２、３）は、サファイアプリズムからなる。【選択図】図１

Description

本発明はガス温度計測装置に関し、特に内燃機関のガス温度計測装置に関する。

特許文献１には、内燃機関のガス温度計測装置が開示されている。このガス温度計測装置は、まず、光を内燃機関の燃焼室内に照射して、当該燃焼室内に設けられたミラーによって反射させる。さらに、このガス温度計測装置は、この反射した光に基づいて、燃焼室内のガスの温度を測定する。

特開２００４−１２５７４０号公報

このような温度計測装置は、金属材料からなるミラーを用いることが多い。燃焼による高温に伴う化学反応によって、このようなミラーの表面が変質することがあった。光の反射に影響を与えて、ガス温度の測定精度が低下するおそれがあった。

本発明は、反射部の変質による測定精度の低下を抑制するものとする。

本発明に係るガス温度計測装置は、
光を出射する光源と、
当該光源から出射された光を通過させて、内燃機関の燃焼室内に導く光透過デバイスと、
当該燃焼室内に導かれた光を反射する反射部と、
前記反射部に反射された光を検出する受光部と、を備えた内燃機関のガス温度計測装置であって、
前記反射部は、サファイアプリズムからなる。
このような構成によれば、反射部は、金属材料と比較して熱の影響を受けにくいサファイアプリズムからなる。そのため、反射部が内燃機関の燃焼室内の燃焼ガスと接触しても、熱の影響を受け難い。よって、燃焼ガスによる反射部の変質を抑制し、反射部の変質による測定精度の低下を抑制することができる。

本発明は、反射部の変質による測定精度の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係るガス温度計測装置の断面図である。実施の形態１に係るガス温度計測装置の要部の一変形例の側面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。図１及び図２では、右手系三次元ＸＹＺ座標を規定した。

（実施の形態１）
図１を参照して実施の形態１に係るガス温度計測装置について説明する。

図１に示すように、ガス温度計測装置１００は、導光ユニット１と、反射部２と、光源４と、受光部５と、算出部６とを備える。さらに、図１に示すガス温度計測装置１００の一例は、光ファイバ保持ユニット１１を備える。ガス温度計測装置１００は、内燃機関Ｅ１の外側ＯＳ１に配置されており、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内の温度を計測する。内燃機関Ｅ１は、例えば、車両に搭載されるエンジンである。燃料ガスとして、例えば、水分子および炭化水素系分子を含む燃料ガスを利用することができる。

光源４は、光Ｌ１を出射する装置であればよく、例えば、レーザ装置である。光Ｌ１は、例えば、赤外レーザ光である。赤外レーザ光の波長は、燃焼室Ｒ１内に含まれる水分子および炭化水素系分子が選択的に吸収する値であればよく、その一例は、1.3μｍおよび3.39μｍである。光源４は、内燃機関Ｅ１の外側ＯＳ１から内燃機関Ｅ１の外方へ離れた位置に配置されている。

光ファイバ保持ユニット１１は、光ファイバ１２と、光ファイバ光軸調整機構１３とを備える。光ファイバ保持ユニット１１は、内燃機関Ｅ１の外側ＯＳ１に配置されている。光ファイバ１２は、光Ｌ１を光ファイバ１２の他端（図示略）に受けて、一端１２ａへ導く。光ファイバ光軸調整機構１３は、例えば、ボルトを用いて光ファイバ１２を押し当てることによって、光ファイバ１２の位置を調整する。この調整によって、光ファイバ１２を通過した光Ｌ１、光Ｌ２（後述）の透過経路を変更することができる。

導光ユニット１は、内燃機関Ｅ１の壁内に配置され、光ファイバ保持ユニット１１に光Ｌ１を授受可能に接続されている。導光ユニット１は、光透過デバイス１ａと、レンズ１ｄと、保持体１ｅとを備える。保持体１ｅは、レンズ１ｄと、光透過デバイス１ａとを保持する。光透過デバイス１ａは、例えば、サファイアガラスからなる。レンズ１ｄは、光ファイバ１２を介して出射された光を通過させて、コリメート（平行化）させる等、適宜、光学調整する。光透過デバイス１ａは、導光ユニット１の一端部に設けられており、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内に突出する。燃焼室Ｒ１から燃焼ガス及び燃焼炎が、内燃機関Ｅ１の壁内及び導光ユニット１の内部に入り込まないように、光透過デバイス１ａは、内燃機関Ｅ１の壁内に嵌合されている。言い換えると、燃焼室Ｒ１の燃焼ガス及び燃焼炎は、光透過デバイス１ａに堰き止められて、内燃機関Ｅ１の壁内及び導光ユニット１の内部に入り込むことが殆どできない。導光ユニット１の他端部１ｂは、光ファイバ１２を介して、光源４及び受光部５と光を授受可能に接続される位置にまで延びる。導光ユニット１は、光ファイバ１２を通過した光Ｌ１を、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内に導く。

反射部２は、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内において、導光ユニット１から所定の間隔を空けた位置に配置される。反射部２は、多種多様な方法を用いて燃焼室Ｒ１内に配置することができる、例えば、ボルト締結やフレーム等を用いて燃焼室Ｒ１内に配置することができる。反射部２は、サファイアプリズムからなる。サファイアプリズムは、入射した光を全反射させる面を複数備え、受光部５へ進む方向に反射させる形状を有するとよい。図１に示す反射部２の一例は、三角柱又は三角形状板である。図１に示す反射部２の一例は、燃焼室Ｒ１内を通過した光を入射された後、反射部２の内部において２回全反射させて、光透過デバイス１ａへ再び入射させる。サファイアは、反射部として利用される公知の金属材料と比較して、高い耐熱性や、化学的安定性を有する傾向にある。

受光部５は、例えば、受光素子であり、光を検出して、検出した光の受光信号を生成する。受光部５は、光ファイバ１２から出射される光Ｌ２を受光するように内燃機関Ｅ１の外側ＯＳ１に配置されている。

算出部６は、受光部５が受光した結果に基づいて、燃焼室Ｒ１内におけるガス温度Ｔを算出する。例えば、下記のランベルト・ベールの式１を用いて計算する。ランベルト・ベールの式１は、ガス温度Ｔと、透過率Ｉ／Ｉ_０と、光が通過する距離Ｌと、吸光係数Ｋと、ガス濃度Ｃの関係を示す。吸光係数Ｋは、波長λと、気圧Ｐと、ガス温度Ｔとの関数である。
−ｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）＝Ｌ×Ｋ（λ，Ｐ，Ｔ）×Ｃ（…式１）
燃焼室Ｒ１内の燃料気体に強度Ｉ_０の赤外レーザ光を入射した場合に、水分子及び炭化水素系分子の１つの赤外光吸収によって透過光強度がＩまで減少したとすると、光の透過率Ｉ／Ｉ_０は、水分子及び炭化水素系分子の１つのガス濃度Ｃと、光が通過する距離Ｌとに依存する。

算出部６は、ハードウェア構成として、パーソナルコンピュータや、車両に搭載されたＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）を利用することができる。このようなＥＣＵとして、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を有する演算回路と、プログラムメモリやデータメモリその他のＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する記憶装置等からなるマイクロコンピュータを主に備える。

ここで、光源４が光Ｌ１を出射する。すると、光Ｌ１は、光ファイバ１２、及び導光ユニット１を通過し、反射部２で反射する。その後、反射した光Ｌ２は、再び、導光ユニット１の光透過デバイス１ａに入射した後、導光ユニット１、光ファイバ１２を通過して、受光部５に受光される。

（使用方法）
次に、図１を参照してガス温度計測装置１００の使用方法について説明する。

図１に示すように、内燃機関Ｅ１の一例であるエンジンに、ガス温度計測装置１００を搭載する（ガス温度計測装置搭載ステップＳＴ１）。反射部２を内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内に配置し、導光ユニット１を内燃機関Ｅ１の壁内に配置し、さらに、光ファイバ保持ユニット１１を導光ユニット１の内燃機関Ｅ１の外側ＯＳ１（ここでは、Ｚ軸プラス側）に配置する。

続いて、内燃機関Ｅ１の動作を開始し、燃焼室Ｒ１内において燃料を燃焼する（エンジン燃焼ステップＳＴ２）。反射部２は、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内に設けられており、燃焼ガスや燃焼炎と接触する。反射部２は、サファイアプリズムからなり、サファイアは、反射部として利用される公知の金属材料と比較して、高い耐熱性や、化学的安定性を有する傾向にある。そのため、反射部２は、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内において生じる燃焼ガスや燃焼炎と接触しても、金属材料からなる反射部と比較して、化学反応物が生じにくく、変形も生じ難い。また、光透過デバイス１ａは、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内に突出しているため、燃焼室Ｒ１から燃焼ガスや燃焼炎と接触する。光透過デバイス１ａは、燃焼ガスや燃焼炎が内燃機関Ｅ１の壁内、又は導光ユニット１の内部に進入することを抑制する。

続いて、燃焼室Ｒ１内におけるガス温度Ｔを計測する（赤外線吸収法によるガス温度計測ステップＳＴ３）。計測時間において対応するクランク角度等も計測してもよい。最後に、燃焼室Ｒ１内における未燃ガス（エンドガス）のガス温度Ｔを計測する（未燃エンドガス温度計測ステップＳＴ４）。

以上、ガス温度計測装置１００によれば、反射部２が、サファイアプリズムからなり、サファイアは、反射部として利用される公知の金属材料と比較して熱の影響を受けにくい。そのため、反射部２が内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内の燃焼ガスと接触しても、金属材料からなる反射部と比較して、熱の影響を受けない。具体的には、反射部２の表面は、金属材料からなる反射部の表面と比較して、化学反応物が生成し難く、変質し難い。また、反射部２は、金属材料からなる反射部と比較して、変形し難い。よって、燃焼ガスによる反射部２の変質を抑制し、反射部２の変質による測定精度の低下を抑制することができる。

（反射部の一変形例）
次に、図２を参照して、反射部２の一変形例である反射部３について説明する。反射部３は、反射部２と同様にサファイアプリズムからなるが、形状が異なる。図２に示すように、反射部３は、六角形状板である。反射部３に入射された光Ｌ１は、反射部３の各平面で反射を繰り返して、反射光Ｌ２が光Ｌ１と逆方向に反射する。反射部２ではなく、反射部３を備えたガス温度計測装置１００の一変形例がある。このガス温度計測装置１００の一変形例を用いて、上記したガス温度計測装置１００の使用方法と同様に、内燃機関Ｅ１の燃焼室Ｒ１内のガス温度を計測することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、反射部３は、断面六角形状の柱、又は六角形状板であるが、断面多角形状の柱、又は多角形状板であってもよい。

１００ガス温度計測装置
１導光ユニット
１ａ光透過デバイス１ｂ他端部
１ｄレンズ１ｅ保持体
２、３反射部
４光源５受光部
６算出部
Ｅ１内燃機関
Ｒ１燃焼室ＯＳ１外側

Claims

光を出射する光源と、
当該光源から出射された光を通過させて、内燃機関の燃焼室内に導く光透過デバイスと、
当該燃焼室内に導かれた光を反射する反射部と、
前記反射部に反射された光を検出する受光部と、を備えた内燃機関のガス温度計測装置であって、
前記反射部は、サファイアプリズムからなる、
ガス温度計測装置。