JP6088939B2

JP6088939B2 - プラグ内蔵型光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置

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Publication number: JP6088939B2
Application number: JP2013174395A
Authority: JP
Inventors: 亮二平岡; 岩井　信之; 信之岩井; 徹也永井; 功東垣外; 暁岡田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Shimadzu Corp
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2033-08-26
Also published as: US9759178B2; US20150054514A1; DE102014216960A1; JP2015043278A

Description

本発明は、燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置に関し、特に、電極間の火花放電により点火を行うための点火部を有するプラグ内蔵型光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置に関するものである。

例えば自動車の内燃機関の燃焼室内における燃焼状態を評価する際には、燃焼時に生じる光を機器に導くための光学測定用プローブを用いて測定が行われる（例えば、下記特許文献１及び２参照）。このような光学測定用プローブの一例として、電極間の火花放電により点火を行うための点火部を有するプラグ内蔵型光学測定用プローブが知られている（例えば、下記特許文献３参照）。

特許文献３の図１に例示されるように、プラグ内蔵型光学測定用プローブには、光学素子などにより構成される受光部が、点火部とともにプラグ本体（碍子部）により保持されている。点火部の火花放電により燃焼室内に生じる燃焼時の光は、受光部の入射面から入射し、例えば光ファイバからなる導光体を介して機器に導かれる。

プラグ本体の外形は、規格に基づく設計の制限を受けるため、あまり大きな外形に形成することはできない。そのため、受光部及び点火部をプラグ本体により一体的に保持する場合には、特許文献３の図１に例示されるように、受光部と点火部とを比較的接近させた状態で並べて保持する必要がある。

特開２０１２−１１８０８０号公報特開２０１１−２４１７５３号公報特開２００６−２９２５２４号公報

上記特許文献３の図１の例では、受光部の入射面がプラグ本体の端面に対して面一になるように、受光部がプラグ本体に取り付けられている。一方、点火部は、プラグ本体の端面から突出するように設けられている。そのため、点火部からの放電光が受光部の入射面から入射し、導光体を介して機器に導かれるおそれがあった。

すなわち、測定対象である燃焼室内の燃焼光だけでなく、点火部からの放電光も受光部に入射し、その放電光の受光強度が測定値に加算されてしまうおそれがあった。この場合、測定対象である燃焼室内の燃焼光のみを正確に測定することができないという問題がある。

また、自動車の内燃機関の燃焼室内に受光部の入射面が臨むような場合には、燃焼時に燃焼室内を浮遊するススやエンジンオイルなどが、受光部の入射面に接触する。そのため、ススやエンジンオイルなどを含む汚れが受光部の入射面に付着し、その付着物が測定値に影響を与えるおそれがある。

そこで、受光部の入射面に付着した汚れを定期的に拭き取るなどのメンテナンスが行われる場合があるが、作業者の負担を考慮すれば、このようなメンテナンスを容易に行うことができるような構成であることが望ましい。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より正確な測定値を得ることができるプラグ内蔵型光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、メンテナンスを容易に行うことができるプラグ内蔵型光学測定用プローブ及びこれを備えた光学測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブは、中心電極を含む電極間の火花放電により点火を行うための点火部と、燃焼時に生じる光が入射する光学窓、及び、前記光学窓を端部に収容する遮光性のホルダを有し、前記光学窓を透過した視野内の光を受光する受光部と、前記点火部からの放電光が前記受光部の視野に入らない位置に前記ホルダの端面が配置されるように、前記点火部及び前記受光部をそれぞれ突出させた状態で並べて保持するプラグ本体とを備え、前記受光部の中心軸線が前記中心電極の軸線に対して平行に延びていることを特徴とする。

このような構成によれば、受光部をプラグ本体から突出させた状態で保持し、当該受光部のホルダにより点火部からの放電光の入射を制限することができる。すなわち、点火部からの放電光が受光部の視野に入らない位置にホルダの端面が配置されることにより、点火部からの放電光の受光強度が測定値に加算されるのを防止し、燃焼時に生じる光のみを測定することができるため、より正確な測定値を得ることができる。

前記ホルダは、円筒状に形成され、その一端部に前記光学窓の外径に対応する内径を有する凹部が形成されており、当該凹部内に前記光学窓が収容されていてもよい。

また、前記光学窓の入射面が、前記ホルダの端面から突出していてもよい。

このような構成によれば、受光部をプラグ本体から突出させた状態で保持し、さらに光学窓の入射面をホルダの端面から突出させることにより、当該入射面に汚れが付着している場合に、その汚れを容易に拭き取ることができる。したがって、メンテナンスを容易に行うことができる。

このように、光学窓の入射面をホルダの端面から突出させた場合であっても、受光部の視野はホルダの端面の位置に応じて制限することができるため、点火部からの放電光の入射を良好に制限し、より正確な測定値を得ることができる。

さらに、前記点火部には、前記中心電極の側方において前記プラグ本体の端面からＬ字状に突出し、その先端部が前記中心電極の先端に対して軸線方向に所定の間隔を隔てて対向する側方電極が備えられ、前記受光部と前記中心電極との間を前記側方電極が遮らない位置に前記受光部が設けられていてもよい。
前記プラグ本体の中心軸線に対して平行にずれた軸線に沿って前記中心電極が延びていてもよい。

本発明に係る光学測定装置は、前記プラグ内蔵型光学測定用プローブと、前記プラグ内蔵型光学測定用プローブにより導かれた光を検出するための検出器とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光学測定装置は、前記プラグ内蔵型光学測定用プローブが、測定対象である燃焼室内に臨むように、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられたことを特徴とする。

前記プラグ内蔵型光学測定用プローブは、前記シリンダヘッドに設けられた動弁系連動部材収容室に対してシリンダ中心を挟んで反対側に形成された開口部に設けられていてもよい。

本発明によれば、点火部からの放電光の受光強度が測定値に加算されるのを防止し、燃焼時に生じる光のみを測定することができるため、より正確な測定値を得ることができる。また、光学窓の入射面をホルダの端面から突出させれば、当該入射面に汚れが付着している場合に、その汚れを容易に拭き取ることができるため、メンテナンスを容易に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブを備えた光学測定装置の構成例を示す図である。受光部の構成例を示す断面図である。点火部及び受光部の配置態様について説明するための概念図である。シリンダヘッドにおけるプラグ内蔵型光学測定用プローブの取付位置について説明するための図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブ１を備えた光学測定装置の構成例を示す図である。図１では、プラグ内蔵型光学測定用プローブ１の具体的構成を概略側面図で示すとともに、他の構成をブロック図で示している。

本実施形態に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブ１は、高温環境下で生じる光を機器に導くためのものであり、例えば自動車や自動二輪車などの内燃機関の燃焼室に臨ませて設置され、当該燃焼室内における燃焼状態を評価する際などに使用される。上記高温環境下とは、例えば３００℃以上の環境下であり、本実施形態に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブ１は、例えば３００℃以上の環境下において耐熱性を有し、より好ましくは８００℃以上の環境下において耐熱性を有している。なお、ここでの耐熱性とは、上記のような高温環境下で使用しても光学特性が変化しない性質を意味している。

このプラグ内蔵型光学測定用プローブ１は、点火部２及び受光部３がプラグ本体４により一体的に保持されることにより構成されている。受光部３により受光された光は、導光体の一例である光ファイバ５を介して分光器６に導かれ、当該分光器６により分光された光が、検出器７で検出されるようになっている。ただし、上記導光体は、光を機器に導くことができるような構成であれば、光ファイバ５に限られるものではない。

点火部２には、プラグ本体４の端面４１から直線状に突出する中心電極２１と、当該中心電極２１の側方においてプラグ本体４の端面４１からＬ字状に突出する側方電極２２とが備えられている。中心電極２１は、プラグ本体４の長手方向に延びる軸線Ｌ１に沿って、端面４１から突出している。また、受光部３は、当該受光部３と中心電極２１との間を前記側方電極２２が遮らない位置に設けられている。

一般的な点火プラグにおいては、プラグ本体４の中心軸線に沿って中心電極２１が延びているが、本実施形態に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブ１においては、受光部３を点火部２と一体的にプラグ本体４で保持するスペースを確保するために、プラグ本体４の中心軸線に対して平行にずれた軸線Ｌ１に沿って中心電極２１が延びている。

側方電極２２は、プラグ本体４の端面４１から軸線Ｌ１方向に延出した後、先端を紙面に対して手前側に屈曲するようにしてＬ字状に突出することにより、その先端部が、中心電極２１の先端に対して軸線Ｌ１方向に所定間隔を隔てて対向している。この側方電極２２の先端部と中心電極２１との間に軸線Ｌ１方向に沿って形成された隙間は、いわゆる電極隙間（プラグギャップ）であり、例えば０．５〜２ｍｍ程度の間隔で形成されている。

側方電極２２は、アースを形成する接地電極であり、中心電極２１との間に高電圧を印加することにより、電極間に火花放電を発生させて点火を行うことができる。この点火部２における点火により、内燃機関の燃焼室内の燃料が燃焼し、燃焼ガスが発生するとともに、燃焼時に生じる光が受光部３により受光されることとなる。

図２は、受光部３の構成例を示す断面図である。受光部３は、光学窓３１及びホルダ３２などを備えており、当該ホルダ３２に光ファイバ５の先端部が取り付けられている。なお、図２では、受光部３における光学窓３１の周辺の構成のみを示している。

光学窓３１は、例えばサファイアにより形成された透明な部材であり、入射面３１１に入射する光を透過させてホルダ３２内に取り込むことができる。この例では、光学窓３１は円柱状に形成されており、燃焼時に生じる光が光学窓３１の端面から入射するようになっている。光学窓３１の端面は、例えば円形状に形成され、上記入射面３１１を構成している。ただし、光学窓３１が円柱状に形成され、入射面３１１が円形状に形成された構成に限らず、他のあらゆる形状で光学窓３１を形成することができる。

ホルダ３２は、例えば円筒状に形成され、その一端部に光学窓３１が収容されている。具体的には、ホルダ３２の一端部に、光学窓３１の外径に対応する内径を有する凹部が形成されており、当該凹部内に光学窓３１が収容されている。上記凹部の内周面と光学窓３１の外周面との隙間は、例えばロウ付けやＯリングなどにより封止されており、燃焼時に生じる燃焼ガスがホルダ３２の内部に入り込まないようになっている。

光学窓３１は、サファイアに限らず、石英、樹脂、Ｓｉ、Ｇｅなどの各種材料を用いて形成することができる。例えば、サファイア、石英又は樹脂を用いて光学窓３１を形成した場合には、紫外光を良好に透過させることができる。また、Ｓｉ又はＧｅを用いて光学窓３１を形成した場合には、赤外光を良好に透過させることができる。可視光は、他の種々の材料を用いて光学窓３１を形成した場合であっても、良好に透過させることが可能である。

光学窓３１がサファイアで形成されている場合、ホルダ３２をコバールにより形成すれば、光学窓３１をホルダ３２に対して良好にロウ付けすることができる。ただし、ホルダ３２は、コバールに限らず、ステンレス鋼やアルミニウムなどの他の金属により形成されていてもよいし、金属以外の材料により形成されていてもよい。ホルダ３２は、その内部に光ファイバ５の端部が収容されているため、耐熱性を有する材料により形成されていることが好ましい。なお、Ｏリングを用いて光学窓３１をホルダ３２に取り付ける際には、ホルダ３２を形成する材料の制限が少なくなる。例えば、パーフロロエラストマーなどのエラストマー材料により形成されたＯリングを用いる場合には、ステンレス鋼により形成されたホルダ３２に対して、石英により形成された光学窓３１を良好に取り付けることができる。

ホルダ３２内には、当該ホルダ３２の中心軸線Ｌ２に沿って延びるように光ファイバ５が設けられており、当該光ファイバ５と同軸上に若干の間隔を隔てて光学窓３１が配置されている。これにより、光学窓３１を透過した光が光ファイバ５に端部から入射し、当該光ファイバ５を介して分光器６などの機器に導かれるようになっている。図１に示すように、受光部３は、中心軸線Ｌ２が中心電極２１の軸線Ｌ１に対して平行に延びるようにプラグ本体４に保持され、光学窓３１の入射面３１１がプラグ本体４の端面４１から突出するように設けられている。

なお、この例では、光学窓３１がホルダ３２の端面３２１から中心軸線Ｌ２に沿って少しだけ張り出すように取り付けられることにより、光学窓３１の入射面３１１が、ホルダ３２の端面３２１から突出している。ただし、このような構成に限らず、例えば光学窓３１の入射面３１１がホルダ３２の端面３２１に対して面一となるように設けられていてもよい。

図３は、点火部２及び受光部３の配置態様について説明するための概念図である。図３に示すように、点火部２において発生する放電光（点火光）２３は、ある程度の広がりを有しており、例えば点火部２の外側にまで光が漏れるような態様で発生する。

本実施形態における受光部３は、光学窓３１の入射面３１１から中心軸線Ｌ２に沿って徐々に広がる視野３３内の光を受光することができる。視野３３は、中心軸線Ｌ２を中心とする所定の視野角内の領域であり、当該視野角は、例えば１５〜３０°程度、より好ましくは２３°程度に設定されている。受光部３の視野角は、光ファイバ５の開口数（ＮＡ）と光学窓３１の形状に依存し、本実施形態のように光学窓３１の端面が平面の場合には、光ファイバ５の視野角と一致する。例えば、セーラムオプテック社製の光ファイバ５を用いた場合、光ファイバ５の視野角は１３．８〜６４．０°程度である。

ホルダ３２は、例えば遮光性を有する部材であり、その端部に収容されている光学窓３１の外周面から光が入射するのを阻止し、入射面３１１側からの光のみが光学窓３１に入射するようになっている。視野３３の範囲は、光学窓３１の形状の他、ホルダ３２の端面３２１の位置によっても変化する。

本実施形態では、点火部２からの放電光２３が受光部３の視野３３に入らない位置にホルダ３２の端面３２１が配置されるように、点火部２及び受光部３をそれぞれ突出させた状態で並べてプラグ本体４により保持している。これにより、受光部３をプラグ本体４から突出させた状態で保持し、当該受光部３のホルダ３２により点火部２からの放電光２３の入射を制限することができる。すなわち、点火部２からの放電光２３が受光部３の視野３３に入らない位置にホルダ３２の端面３２１が配置されることにより、点火部２からの放電光２３の受光強度が測定値に加算されるのを防止し、燃焼時に生じる光のみを測定することができるため、より正確な測定値を得ることができる。

また、本実施形態では、受光部３をプラグ本体４から突出させた状態で保持し、さらに光学窓３１の入射面３１１をホルダ３２の端面３２１から突出させることにより、当該入射面３１１に汚れが付着している場合に、その汚れを容易に拭き取ることができる。したがって、メンテナンスを容易に行うことができる。

このように、光学窓３１の入射面３１１をホルダ３２の端面３２１から突出させた場合であっても、受光部３の視野３３はホルダ３２の端面３２１の位置に応じて制限することができるため、点火部２からの放電光２３の入射を良好に制限し、より正確な測定値を得ることができる。

図４は、シリンダヘッド１０１におけるプラグ内蔵型光学測定用プローブ１の取付位置について説明するための図である。例えば自動車や自動二輪車などの内燃機関１００には、シリンダヘッド１０１と、図示しないシリンダブロック及びピストンにより囲まれた燃焼室１０２とが形成されている。

プラグ内蔵型光学測定用プローブ１は、例えば測定対象である燃焼室１０２内に臨むように、シリンダヘッド１０１に取り付けられる。具体的には、シリンダヘッド１０１には、図示しない動弁系連動部材（例えばカムチェーンなど）を収容する動弁系連動部材収容室１１１が形成されており、当該動弁系連動部材収容室１１１に対してシリンダ中心を挟んで反対側に形成された開口部１１６から、燃焼室１０２内に臨むようにプラグ内蔵型光学測定用プローブ１が配置される。

シリンダヘッド１０１には、燃焼室１０２に向けて開口する吸気弁口１１２に連通した吸気ポート１１３と、燃焼室１０２に向けて開口する排気弁口１１４に連通した排気ポート１１５とが形成されている。この例では、シリンダヘッド１０１における吸気弁口１１２及び排気弁口１１４の近傍に、燃焼室１０２に向けて開口する開口部１１６が形成されており、当該開口部１１６内にプラグ内蔵型光学測定用プローブ１が取り付けられる。これにより、内燃機関１００の燃焼室１０２内における燃焼状態を評価する際などには、開口部１１６内に取り付けられたプラグ内蔵型光学測定用プローブ１を介して、燃焼室１０２内に生じる光を機器に導くことができる。

なお、本発明に係るプラグ内蔵型光学測定用プローブ１は、例えば自動車や自動二輪車などの内燃機関１００の燃焼室１０２に設置されるような構成に限らず、他のあらゆる高温環境下に設置して、燃焼時に生じる光を機器に導くことができる。

１プラグ内蔵型光学測定用プローブ
２点火部
３受光部
４プラグ本体
５光ファイバ
６分光器
７検出器
２１中心電極
２２側方電極
２３放電光
３１光学窓
３２ホルダ
３３視野
４１端面
１００内燃機関
１０１シリンダヘッド
１０２燃焼室
１１１動弁系連動部材収容室
１１２吸気弁口
１１３吸気ポート
１１４排気弁口
１１５排気ポート
１１６開口部
３１１入射面
３２１端面
Ｌ１軸線
Ｌ２中心軸線

Claims

中心電極を含む電極間の火花放電により点火を行うための点火部と、
燃焼時に生じる光が入射する光学窓、及び、前記光学窓を端部に収容する遮光性のホルダを有し、前記光学窓を透過した視野内の光を受光する受光部と、
前記点火部からの放電光が前記受光部の視野に入らない位置に前記ホルダの端面が配置されるように、前記点火部及び前記受光部をそれぞれ突出させた状態で並べて保持するプラグ本体とを備え、
前記受光部の中心軸線が前記中心電極の軸線に対して平行に延びていることを特徴とするプラグ内蔵型光学測定用プローブ。
前記ホルダは、円筒状に形成され、その一端部に前記光学窓の外径に対応する内径を有する凹部が形成されており、当該凹部内に前記光学窓が収容されていることを特徴とする請求項１に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブ。
前記光学窓の入射面が、前記ホルダの端面から突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブ。
前記点火部には、前記中心電極の側方において前記プラグ本体の端面からＬ字状に突出し、その先端部が前記中心電極の先端に対して軸線方向に所定の間隔を隔てて対向する側方電極が備えられ、前記受光部と前記中心電極との間を前記側方電極が遮らない位置に前記受光部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブ。
前記プラグ本体の中心軸線に対して平行にずれた軸線に沿って前記中心電極が延びていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブ。
請求項１乃至５の何れか１項に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブと、
前記プラグ内蔵型光学測定用プローブにより導かれた光を検出するための検出器とを備えたことを特徴とする光学測定装置。
請求項１乃至５の何れか１項に記載のプラグ内蔵型光学測定用プローブが、測定対象である燃焼室内に臨むように、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられたことを特徴とする光学測定装置。
前記プラグ内蔵型光学測定用プローブが、前記シリンダヘッドに設けられた動弁系連動部材収容室に対してシリンダ中心を挟んで反対側に形成された開口部に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の光学測定装置。