JP5259499B2 - 内燃機関の燃焼挙動を検出するための測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室における挙動を検出するための測定装置に関する。そのような測定装置に備えられた圧力センサは、例えば、内燃機関の燃焼室に開口する孔に装着することができる。

特に内燃機関の燃焼室内における燃焼挙動の監視において、この燃焼挙動をリアルタイムで監視するためには、光学的測定と圧力測定とを同時に実施することが必須である。しかしながら、吸排気弁、燃料噴射装置および点火プラグなどが配置されているシリンダヘッドに、燃焼室の光学的監視および燃焼室の圧力監視のための測定用孔を設けることは困難である。したがって、測定用孔の数を可能な限り低減することが好ましい。新たな孔形成することを避けるには、点火プラグに対して追加の測定装置を取り付けることが考えられる。

オーストリア特許出願公開第５０３０６７号（特許文献１）から、一体的に設けられた圧力測定装置と光学的測定装置とを有する点火プラグが公知である。この形態では、点火プラグのハウジングには、圧力測定装置を収容するための第１の孔と、燃焼室に臨む光ファイバを収容するための第２の孔とが形成されている。

さらにオーストリア特許第４０７５７７号（特許文献２）から、ハウジングを貫通し、偏心して形成された、点火プラグ用アイソレータを収容するための長手方向の孔を有する点火プラグが公知である。この点火プラグは、異なる壁厚さを有するハウジング領域を有し、より大きな壁厚さを有する領域に圧力測定装置が配設されている。この圧力測定装置を収容するための孔は、点火プラグ用の長手方向孔に対して傾斜して構成される。

オーストリア実用新案第００２２２８号（特許文献３）には、点火プラグに一体的に設けられ、燃焼室に向けた光ファイバからなる光学的センサを有する内燃機関用の点火プラグが開示されている。これらの光ファイバは、中心電極の軸の回りに同心状に配置されている。点火プラグの軸に対して平行に延伸するそれぞれ１組の長手孔が、有底孔として形成された集合孔に開口している。集合孔および長手孔を介して燃焼室に開口する光ファイバと光ファイバケーブルとの間で光学的カップリングが実施される。

オーストリア実用新案第００３８４５号（特許文献４）では、駆動中の内燃機関内の燃焼室における燃焼挙動を把握するための光電気測定装置が開示されており、この装置において、光学的センサが実質的に円筒状であり、燃焼室に開口する構成要素に、またセンサの端部がこの構成要素のケーシングに対して実質的に放射線状に配置されている。この構成要素は、例えば点火プラグである。

さらにオーストリア特許第４０２１１６号（特許文献５）から知られている構成では、点火プラグに対して作用する圧力を測定するための圧力測定器を有する点火プラグであって、この点火プラグの絶縁体が、圧力測定器が介在下における軸方向への圧力作用時において点火ハウジングを支持する。その他の光学センサを有する点火プラグは、国際特許公開第２００６／０３７２５１号（特許文献６）、米国特許第４４５２６７２号（特許文献７）、ドイツ実用新案第８６１４０８１号（特許文献８）およびドイツ特許第３００１７１１号（特許文献９）より公知である。ドイツ特許第１０２００５０６０１３９号（特許文献１０）には、一体化された圧力センサを有する点火プラグが開示されている。

一体化された光学センサと圧力センサとを有する点火プラグについては、コストのかかる特注部品となる。特に大量生産タイプのエンジンにおいてこのような点火プラグが不適切となるのは、光学センサおよび圧力センサとは関係なく、磨耗する構成要素としてこの点火プラグが交換される必要があるためである。さらには、点火プラグを有しない内燃機関においても光学的測定と圧力測定とを同時に実施可能にすることが要求される。

通常、圧力測定のためには、温度に敏感で小さなサイズの、例えば圧電式あるいはピエゾ抵抗式に構成された圧力センサが用いられ、これら圧力センサは、シリンダヘッドにおける小さな径の孔に挿入される。このような圧力センサを収容するための例えば５ｍｍ程度の極めて小さな孔は、従来は光学センサとの組み合わせを難しくしている。

内燃機関の燃焼室における圧力を測定するための圧電式圧力センサは、例えば英国特許第７５２８５１号（特許文献１１）、ドイツ特許第２５４４５０５号（特許文献１２）、ドイツ特許第１９００９７０号（特許文献１３）またはドイツ特許第３９１２１７７号（特許文献１４）より公知である。光ファイバ式の圧力センサは、欧州特許第１０８９０６２号（特許文献１５）において開示されている。燃焼室に臨む光ファイバが設けられていないため、燃焼室における挙動を視覚的に監視することは不可能である。

オーストリア実用新案第００２１１４号（特許文献１６）には、燃焼室監視のために光ファイバをシリンダヘッドのシーリング内に設けた内燃機関が開示されている。

オーストリア特許出願公開第５０３０６７号 オーストリア特許第４０７５７７号 オーストリア実用新案第００２２２８号 オーストリア実用新案第００３８４５号 オーストリア特許第４０２１１６号 国際特許公開第２００６／０３７２５１号 米国特許第４４５２６７２号 ドイツ実用新案第８６１４０８１号 ドイツ特許第３００１７１１号 ドイツ特許第１０２００５０６０１３９号 英国特許第７５２８５１号 ドイツ特許第２５４４５０５号 ドイツ特許第１９００９７０号 ドイツ特許第３９１２１７７号 欧州特許第１０８９０６２号 オーストリア実用新案第００２１１４号

本発明の目的は、内燃機関において点火プラグとは関係なく、最小限の空間で同時的な光学的測定と圧力測定とが実現できる測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による、内燃機関の燃焼室における挙動を検出するための測定装置では、前記内燃機関の燃焼室に開口する孔に装着された圧力センサが備えられ、この圧力センサは燃焼室に臨む少なくとも１つの光学導波路を有し、好ましくは前記燃焼室の開口領域に光学カプラが設けられ、前記光学カプラは前記圧力センサの圧膜体あるいは前記圧力センサのハウジング内にろう接されている。ここで、ろう接は、半田付けやろう付けによる接合を含む、種々の接合を表しており、限定された意味で解釈されるものではない。本発明によれば、光学カプラを圧力センサの圧膜体あるいは圧力センサのハウジングに接合することで、光学的測定と圧力測定とに要求される必要空間が従来に比べて少なくなる。また、ここでは、光学導波路は光ファイバや光ケーブルなど、光ビームを伝達する媒体の総称である。

本発明の好ましい実施形態の１つによれば、光学カプラは、光学導波路から間隔をあけて設けられている。光学導波路と光学カプラとの間の間隔（距離）によって圧膜体が障害なく動作することが可能となる。光学カプラが圧膜体に接合する形態を採用した場合、測定装置の取り付けのために必要とされる直径は可能な限り小さなものとして実現可能である。また、従来から知られている圧力作用孔が形成されて受けられている場合には、本発明による測定装置を燃焼室の圧力が作用する圧力作用孔に挿入して装着することも可能である。

光学カプラが圧力センサのハウジング内にろう接される場合、光学導波路は孔形成された光学チャネルを介してハウジングの側面領域へと案内され、光学チャネルが圧膜体に隣接する形で燃焼室に臨む。

光学カプラは、光学レンズあるいはプリズムとして形成されている。さらには、光学カプラの燃焼室側の表面を、複数の平面状または曲面状あるいはその両方の形態を有する機能面部として形成することも好適である。

この測定装置の圧力センサは、一切特定の測定原理に制限されるものではない。したがって、本発明の範囲において、ここでの圧力センサが、圧電式、ピエゾ抵抗式、周波数比較評価式、静電容量式、誘導式あるいは光学式の圧力センサ、またはホール素子を有する圧力センサなどが当然含まれる。

本発明に係わる測定装置の実施形態の一例を示す縦断面図である。 図１における測定装置のＩＩ−ＩＩ断面線に沿った横断面図である。 本発明に係わる測定装置の別な実施形態の一例を示す縦断面図である。 図３における測定装置のＩＶ−ＩＶ断面線に沿った断面図である。

本発明の実施形態の一例が図１と図２とを参照して、以下に詳述される。
図１において、圧力センサ３を備える測定装置１が示されており、この圧力センサ３は測定装置１の筒状のハウジング２内に設けられている。この実施形態において、圧力センサ３は圧電式圧力センサとして構成されており、符号４は圧電素子を表すものである。圧力センサ３は、圧電素子４と接触している圧膜体５を有し、図１においてこの測定装置１の下側に隣接する、図示されない燃焼室から作用する軸方向の力（圧力）をこの圧膜体５を介して入力する。

圧力センサ３は、図１および２で図示された実施形態においては中心に、つまり軸心領域に軸方向に沿って設けられ、光学導波路の一例として、部分的に保護キャピラリー（保護チューブ）７によって被覆されている光ファイバ６を有する。圧膜体５には光学カプラ８が半田付けされていて光ファイバ６と燃焼室との間における光学的接続、例えば燃焼室で生じた挙動に関する光学的情報（光特性など）を光ファイバ６に伝達することを可能にする。ここでは、光ファイバ６と光学カプラ８との間に所定の軸方向距離をもった空隙（間隔）ｓが形成されていることによって、圧膜体５が光ファイバ６に対して自由に可動することができる。光ファイバ６と圧電素子４とは同心関係となっており、光ファイバ６の周囲を複数（ここでは３個）の圧電素子４が取り囲んでいる。光学カプラ８と圧膜体５も同心関係となっており、光学カプラ８を圧膜体５が外囲している。

図３および図４において本発明の別な実施形態が示されており、ここでは光ファイバ６が円筒状ハウジング２のハウジング側壁２ａに軸方向に沿って延びている孔に装着され、接合、ろう接されている（一般には半田付けされている）。この構成から明らかなことは、圧力センサ３の軸心３ａから距離をあけて、つまり偏心して光ファイバ６が配置されていることである。光ファイバ６の燃焼室側の終端部は、圧膜体５の領域において、光学カプラ８がハウジング２あるいは圧膜体５に対して接合、ここでは半田付けされている。従って、ここでは圧膜体５に形成された軸方向孔に光ファイバ６の終端部が挿入されており、同様に当該孔の燃焼室側領域に挿入されている光学カプラ８と面一に突き合わせられている。このような光学カプラ８と光ファイバ６との接合構成により、光学カプラ８を介して燃焼室からの光学的情報が光ファイバ６に伝達される。図３および図４で示された実施形態は、特に測定装置１を収容するために設けられているシリンダヘッドの孔直径が比較的大きい場合に利用されると好適である。

光学カプラ８は、光学レンズあるいはプリズムによって構成され得る。さらには光学カプラ８の燃焼室側の表面を、複数の平面状または曲面状あるいはその両方の形態を有する機能面部として形成することができる。これにより光学的情報の伝達特性の改善を適性化することができる。

１： 測定装置
２： ハウジング
３： 圧力センサ
５： 圧膜体
６： 光学導波路（光ファイバ）
８： 光学カプラ

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室における挙動を検出するための測定装置であって、前記内燃機関の燃焼室に開口する孔に装着された圧力センサが備えられ、この圧力センサは燃焼室に臨む少なくとも１つの光学導波路を有し、前記燃焼室の開口領域に光学カプラが設けられ、前記光学カプラは前記圧力センサの圧膜体あるいは前記圧力センサのハウジング内にろう接され、
   前記光学カプラは、前記光学導波路から軸方向に沿って間隔をあけて設けられていることを特徴とする測定装置。
2. 前記光学カプラは、レンズとして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記光学カプラは、プリズムとして構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記光学カプラの燃焼室側の表面には、複数の平面状または曲面状あるいはその両方の形態を有する機能面部を形成していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記圧力センサは、圧電式、ピエゾ抵抗式、周波数評価式、静電容量式、誘導式あるいは光学式の圧力センサ、またはホール素子を有する圧力センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。

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