JP6480255B2 - 燃料濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室の燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置に関する。

従来から自動車のエンジン等の内燃機関において燃焼室内の燃料濃度を計測する装置が知られている（下記特許文献１及び２を参照）。特許文献１に記載されたエンジンの燃料濃度測定装置は、測定光導入光路によって燃焼室内部の測定光路に特定波長の測定光を導き、測定光導出光路によって測定光路を透過した測定光を燃焼室外部へと導き出し、燃焼室外部へ導き出された測定光の強度に応じた信号を光強度検出器によって出力する。

また、特許文献１の燃料濃度測定装置は、光遮断手段によって光強度検出器への測定光の導出を遮断する。そして、透過測定光強度算出手段によって、測定光の導出を行ったときの光強度検出器の出力信号を、測定光の導出を遮断したときの光強度検出器の出力信号で補正し、測定光路を透過した測定光の強度を算出する。そして、燃料濃度算出手段によって、測定光路に入射した測定光の強度と透過測定光強度算出手段で算出した透過測定光の強度とに基づいて測定光路中の混合気の燃料濃度を算出する。

特許文献１によれば、前記燃料濃度測定装置は、光強度検出器のドリフト量を光遮断手段で測定光が遮断されたときに検出して測定光の強度を補正することで、検出器のドリフトに左右されず、燃焼室内の燃料濃度すなわち空燃比を精度よく計測することが可能になる、とされている。また、特許文献１に記載された燃料濃度測定装置と同様に、特許文献２に記載されたエンジンの燃料濃度測定装置は、測定光導入光路、測定光導出光路、及び光強度検出器を備えている。

特許文献２の燃料濃度測定装置は、燃料濃度算出手段によって、測定光路中に燃料が存在しないクランク角で検出した測定光の強度を測定光の基準強度に設定する。燃料濃度算出手段は、基準強度を設定すると共に、この基準強度と燃料濃度の測定を行うクランク角で検出した測定光の強度とに基づいて燃料濃度の測定を行うクランク角での測定光路における測定光の透過率を算出する。さらに、燃料濃度算出手段は、算出した透過率に基づいて測定光路中の混合器の燃料濃度を算出する。

特許文献２には、燃料以外に測定部に入射するまでの測定部から検出器までの光路における振動等による減衰や測定光路を構成する光学系素子の汚れによる減衰があることが記載されている。また、特許文献２には、前記の減衰があっても、これらの減衰は透光強度及び入射光強度に対して同一の割合で生じるので、透光率を算出する式中の除算において相殺され、これらの影響を受けることなく、精度よく算出できる、と記載されている。

特開２００２−３４０８００公報 特開２００３−０１４６４０公報

前記特許文献１及び２に記載された燃料濃度測定装置では、光源（３）から出た光の一部を分岐させて出力のモニタ用として第２検出器（５）に入射させるビームスプリッタ（４）が、光源と点火プラグとを接続する光ファイバ（６）の途中に設けられている。このように、ビームスプリッタをエンジン外部に設けると、エンジン内部の光路において、エンジンの振動等によって生じる光量変動を正確に検出することができず、測定される燃料濃度の誤差が大きくなる虞がある。また、装置が大型化し、取り回しが困難になるという課題がある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室の測定光路へ測定光を照射し、該測定光路を透過した信号光の強度から該燃焼室の燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置において、測定誤差を減少させ、装置を小型化して取り回しを容易にすることを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の燃料濃度測定装置は、内燃機関の燃焼室の測定光路へ測定光を照射し、該測定光路を透過した信号光の強度から該燃焼室の燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置であって、前記測定光路に入射する前の前記測定光から参照光を分岐させる分岐部を備え、前記分岐部は、前記内燃機関の内部に配置されることを特徴とする。

本発明の燃料濃度測定装置は、内燃機関の燃焼室の測定光路へ測定光を照射し、該測定光路を透過した信号光の強度から該燃焼室の燃料濃度を測定する装置である。より具体的には、本発明の燃料濃度測定装置は、燃焼室の内部の測定光路に入射する前の測定光から分岐部によって参照光を分岐させ、該参照光の強度と前記信号光の強度とに基づいて、燃焼室の燃料濃度を測定する。

燃焼室の空気に含まれる燃料の濃度が高ければ、燃焼室の測定光路に入射した測定光の減衰が増大し、測定光路を透過した信号光の強度が低下する。一方、燃焼室の空気に含まれる燃料の濃度が低ければ、燃焼室の測定光路に入射した測定光の減衰が減少し、測定光路を透過した信号光の強度が増加する。そのため、燃焼室の測定光路に入射する前の測定光から分岐させた参照光の強度と、測定光路を透過した信号光の強度とに基づいて、燃焼室の燃料濃度を測定することができる。

前記した特許文献１及び２に記載された燃料濃度測定装置は、本発明の燃料濃度測定装置と同様に、燃焼室内の燃料濃度を計測することは可能である。しかし、これら従来の燃料濃度測定装置では、光源から出た光の一部を分岐させて出力のモニタ用として第２検出器に入射させるビームスプリッタがエンジン外部に設けられている。そのため、エンジン内部の光路において、エンジンの振動等によって生じる光量変動を正確に検出することができず、燃料濃度の測定誤差が増大する虞がある。また、装置が大型化し、取り回しが困難になるという課題がある。

これに対し、本発明の燃料濃度測定装置は、測定光から参照光を分岐させる分岐部が内燃機関の内部に配置される。したがって、本発明の燃料濃度測定装置によれば、内燃機関の内部の光路において、エンジンの振動等によって生じる光量変動を正確に検出し、燃料濃度の測定誤差を減少させることができる。また、燃料濃度測定装置を小型化することができ、装置の取り回しを容易にすることができる。

また、本発明の燃料濃度測定装置は、前記参照光の強度を計測する参照光計測部と、前記信号光の強度を計測する信号光計測部と、前記参照光の強度と前記信号光の強度とに基づいて前記燃料濃度を算出する演算部とを備えることができる。これにより、参照光計測部によって参照光の強度を計測し、信号光計測部によって信号光の強度を計測し、これら参照光及び信号光の強度に基づいて、演算部によって燃焼室の燃料濃度を算出することができる。

また、本発明の燃料濃度測定装置は、前記測定光を照射する光源と、該光源から前記分岐部へ前記測定光を伝達する光伝達経路と、前記測定光路から前記信号光計測部へ前記信号光を伝達する信号光伝達経路と、を備えることができる。これにより、光源から測定光を照射し、光伝達経路によって光源から分岐部へ測定光を伝達し、分岐部によって参照光が分岐された測定光を燃焼室の測定光路へ照射することができる。また、燃焼室の測定光路を透過した信号光を、信号光伝達経路によって測定光路から信号光計測部へ伝達し、信号光の強度を測定することができる。

また、本発明の燃料濃度測定装置は、前記分岐部から前記参照光計測部へ前記参照光を伝達する参照光伝達経路を備えることができる。この場合、分岐部によって測定光から分岐された参照光を、参照光伝達経路によって分岐部から参照光計測部へ伝達し、参照光の強度を測定することができる。

また、本発明の燃料濃度測定装置は、前記参照光伝達経路の代わりに、前記光源と前記光伝達経路との間にガラスミラーを備えることができる。この場合、ガラスミラーは、前記光源から前記光伝達経路に入射する前記測定光のすべてを透過させ、前記分岐部で分岐され前記光伝達経路を出た前記参照光の一部を透過させ、残りを反射させて前記参照光計測部に入射させるように設けることができる。これにより、測定光を光源から照射し、ガラスミラーを透過させて光伝達経路に入射させ、内燃機関の内部の分岐部によって参照光を分岐させ、残りの測定光を燃焼室の測定光路に照射することができる。また、分岐部によって分岐させた参照光を、光伝達経路によって測定光と逆の経路で内燃機関の外部へ導出し、光伝達経路から出た参照光をガラスミラーによって反射させて参照光計測部に入射させ、参照光の強度を測定することができる。

また、本発明の燃料濃度測定装置において、前記分岐部は、前記内燃機関が備える点火プラグの燃焼室側先端部に設けられてもよい。これにより、内燃機関が通常有するプラグ孔を利用して分岐部を内燃機関の内部に配置することができるだけでなく、点火プラグの先端部に測定光路を設け、点火プラグの先端部の放電ギャップの近傍における燃料濃度を測定することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料濃度測定装置によれば、内燃機関の内部の燃焼室以外で生じる光量変動を正確に検出し、燃料濃度の測定誤差を減少させることができる。また、燃料濃度測定装置を小型化することができ、装置の取り回しを容易にすることができる。

本発明の実施形態１に係る燃料濃度測定装置の概略構成図。 本発明の実施形態１に係る燃料濃度測定装置の概略構成図。 図１Ｂに示す点火プラグの概略構成を示す拡大断面図。 図２に示す点火プラグの信号光取得部の概略構成を示す拡大断面図。 本発明の実施形態２に係る燃料濃度測定装置の概略構成図。 本発明の実施形態２に係る信号光取得部の概略構成を示す拡大断面図。 図５に示す信号光取得部の変形例を示す拡大断面図。

以下、図面を参照して本発明の燃料濃度測定装置の実施の形態を説明する。

［実施形態１］
図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態１に係る燃料濃度測定装置１００の概略構成図である。図２は、図１Ｂに示す点火プラグ１０の概略構成を示す模式的な拡大断面図である。図３は、図２に示す点火プラグ１０の先端部に設けられた信号光取得部２５の概略構成を示す模式的な拡大断面図である。

本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、自動車のエンジン等の内燃機関Ｅの燃焼室Ｃの内部の測定光路ＬＰへ測定光ＭＬを照射し、該測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬの強度から該燃焼室Ｃの燃料濃度を測定する装置である。詳細は後述するが、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、測定光路ＬＰに入射する前の測定光ＭＬから参照光ＲＬを分岐させる分岐部としてハーフミラー２５ａ（図３参照）を備え、ハーフミラー２５ａが内燃機関Ｅの内部に配置されることを最大の特徴としている。

燃料濃度測定装置１００は、測定光ＭＬを照射する光源１と、測定光ＭＬを伝達する光伝達経路を構成する光ファイバ２と、信号光ＳＬを伝達する信号光伝達経路を構成する光ファイバ３と、参照光ＲＬを伝達する参照光伝達経路である光ファイバ４とを備える。光ファイバ２、３及び４を束ねることでバンドルファイバ５が構成されている。

光源１は、例えば、波長が３．３９μｍ程度の中赤線波長の光等、燃焼室Ｃ内の燃料の蒸気によって吸収されて強度が減衰する所定の波長の光を、測定光ＭＬとして照射する。光伝達経路を構成する光ファイバ２は、光源１側の端部に光源１からの測定光ＭＬを受光する受光部２ａを有している。光ファイバ２の受光部２ａと光源１との間には、光源１から照射された測定光ＭＬを受光部２ａに集光するレンズ６が設置されている。

燃料濃度測定装置１００は、参照光ＲＬの強度を計測する参照光計測部８と、信号光ＳＬの強度を計測する信号光計測部７と、をさらに備える。参照光計測部８は、内燃機関Ｅの内部から外部へ引き出された参照光伝達経路である光ファイバ４の一端に接続されている。信号光計測部７は、内燃機関Ｅの内部から外部へ引き出された信号光伝達経路である光ファイバ３の一端に接続されている。

光伝達経路を構成する光ファイバ２は、光源１から内燃機関Ｅが備える点火プラグ１０において光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａへ、測定光ＭＬを伝達する。信号光伝達経路を構成する光ファイバ３は、点火プラグ１０において信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂから信号光計測部７へ、信号光ＳＬを伝達する。参照光伝達経路である光ファイバ４は、点火プラグ１０において参照光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｃから参照光計測部８へ、参照光ＲＬを伝達する。

燃料濃度測定装置１００は、信号光計測部７が計測した信号光ＳＬの強度と、参照光計測部８が計測した参照光ＲＬの強度とに基づいて、燃焼室Ｃの燃料濃度を算出する演算部９をさらに備える。演算部９は、例えば、ＣＰＵやメモリ等の電子部品によって構成され、各種の演算を実行するとともに、光源１、信号光計測部７及び参照光計測部８等を制御する。

内燃機関Ｅは、シリンダヘッドＳＨにプラグ孔ＰＨが設けられ、該プラグ孔ＰＨに挿入されてシリンダヘッドＳＨにネジ固定される点火プラグ１０を備えている。点火プラグ１０は、ハウジング２０と、該ハウジング２０に支持された点火プラグ構成部３０とを備えている。ハウジング２０は、シリンダヘッドＳＨのプラグ孔ＰＨにネジ固定される。

点火プラグ構成部３０は、主に、電極部材３１と碍子３２と固定ナット３３とによって構成されている。電極部材３１は、例えばニッケル合金等の導電性の高い金属材料によって製作することができ、熱伝導性を向上させるために芯部に銅を用いることができる。電極部材３１は、基端部に端子部３１ａが設けられ、先端部に中心電極３１ｂが設けられている。電極部材３１は、先端部の中心電極３１ｂを除いて絶縁体である碍子３２によって覆われて、点火プラグ構成部３０の中心部に封入されている。

電極部材３１の基端部の端子部３１ａは、外部の点火コイルに接続された高電圧ケーブル３４の高電圧端子３４ａに接続される。電極部材３１の先端部の中心電極３１ｂは、さらにその先端に、例えばプラチナやイリジウム等のレアメタルによって構成された先端チップ３１ｃが設けられている。中心電極３１ｂの先端チップ３１ｃは、所定の放電ギャップＧを有してハウジング２０に設けられた接地電極２６に対向している。点火プラグ構成部３０は、電極部材３１の中心電極３１ｂとハウジング２０との間にガスケット３５が配置され、電極部材３１がガスケット３５と碍子３２によってハウジング２０に対して絶縁された状態で、碍子３２の周囲に配置された固定ナット３３によってハウジング２０の支持部２１に固定されている。

ハウジング２０は、点火プラグ構成部３０を支持する支持部２１と、光源１側のバンドルファイバ５のコネクタ部５ａを接続するコネクタ部２２と、バンドルファイバ２３を挿通させるガイド孔２４とを有している。また、ハウジング２０は、測定光路ＬＰに測定光ＭＬを照射して測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬを受光する信号光取得部２５と、接地電極２６と、ガイド孔２４に緩衝材を注入するための複数の注入孔２７とを有している。接地電極２６は、例えばニッケル鋼によって製作され、ハウジング２０の先端部に溶接されている。注入孔２７は、ガイド孔２４に緩衝剤を注入するのに用いられる。ガイド孔２４に注入された緩衝剤は、ガイド孔２４に挿通されたバンドルファイバ２３とハウジング２０との間の振動を緩和する。

ハウジング２０の支持部２１は、点火プラグ構成部３０を挿入可能な筒状に形成され、点火プラグ構成部３０の固定ナット３３を螺合させるネジ部２１ａを有している。支持部２１は、点火プラグ構成部３０の中心電極３１ｂと支持部２１との間にガスケット３５が配置された状態で、点火プラグ構成部３０の先端チップ３１ｃとハウジング２０の接地電極２６との間に、所定の放電ギャップＧをあけて点火プラグ構成部３０を支持する。

ハウジング２０に端部には、ガイド孔２４を通るバンドルファイバ２３のコネクタ部２２が嵌合して固定されている。ガイド孔２４は、ハウジング２０を長手軸方向に貫通してバンドルファイバ２３を挿通させている。ガイド孔２４に挿通されたバンドルファイバ２３は、一端がハウジング２０のコネクタ部２２に接続され、他端がハウジング２０の信号光取得部２５に達している。

ガイド孔２４を通るバンドルファイバ２３のコネクタ部２２は、光源１、信号光計測部７及び参照光計測部８からの光ファイバ２，３及び４を束ねたバンドルファイバ５の端部に設けられたコネクタ部５ａに接続される。これにより、ガイド孔２４を通るバンドルファイバ２３を構成する各々の光ファイバ２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、それぞれ光伝達経路、信号光伝達経路、及び参照光伝達経路を構成する光源１、信号光計測部７及び参照光計測部８からの光ファイバ２，３及び４に接続され、各光伝達経路の一部を構成する。

信号光取得部２５は、点火プラグ構成部３０の電極放電部分である先端チップ３１ｃと接地電極２６との間の放電ギャップＧに臨んで設けられている。信号光取得部２５は、光伝達経路からの測定光ＭＬの一部を透過させ、残りを参照光ＲＬとして反射するハーフミラー２５ａと、ハーフミラー２５ａによって反射された参照光ＲＬを反射するミラー２５ｂと、ハーフミラー２５ａを透過した測定光ＭＬを集光するレンズ２５ｃと、これらを燃焼室Ｃから隔離する窓部２５ｄとを有している。ハーフミラー２５ａは、一方から入射した光をすべて透過させるガラスミラーとは異なり、一方から入射した光の一部を透過させ、残りを反射させる。ハーフミラー２５ａ及びミラー２５ｂは、光ファイバ２３ａ，２３ｃの端面に接着された被膜からなる鏡面でもよく、光ファイバ２３ａ，２３ｃとは別の部材である固体鏡面でもよい。

また、信号光取得部２５は、信号光ＳＬを得るための計測ギャップｇを燃焼室Ｃの内部に形成するギャップ形成部２５ｅと、該ギャップ形成部２５ｅに設けられた凹面ミラー２５ｆとを有している。ギャップ形成部２５ｅは、窓部２５ｄと所定の間隔をあけて対向するようにハウジング２０の先端に設けられ、窓部２５ｄと対向する面に凹面ミラー２５ｆを支持し、窓部２５ｄと凹面ミラー２５ｆとの間に所定の間隔の計測ギャップｇを形成している。

ガイド孔２４を通るバンドルファイバ２３は、コネクタ部２２をハウジング２０の端部に嵌合させることで、信号光取得部２５に対して位置決めされ、窓部２５ｄとの間に所定の間隙Ｓをあけて配置される。ハーフミラー２５ａ、ミラー２５ｂ、及びレンズ２５ｃは、バンドルファイバ２３の端部と窓部２５ｄとの間の間隙Ｓに配置されている。

また、ガイド孔２４を通るバンドルファイバ２３のコネクタ部２２をハウジング２０の端部に嵌合させることで、光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａの端部は、ハーフミラー２５ａに測定光ＭＬを入射させるように、ハーフミラー２５ａに隣接して配置される。また、信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂの端部は、レンズ２５ｃを透過した信号光ＳＬが入射する位置に配置される。また、参照光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｃの端部は、ミラー２５ｂによって反射された参照光ＲＬが入射するように、ミラー２５ｂに隣接して配置される。

ハーフミラー２５ａは、光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａの端部に隣接して配置され、光伝達経路を介して伝達された測定光ＭＬが入射する測定光入射面Ｆ１を有している。測定光入射面Ｆ１は、測定光ＭＬの入射方向に対して所定の角度で傾斜し、光ファイバ２３ａを介して入射した測定光ＭＬの一部を透過させ、残りを参照光ＲＬとして隣接するミラー２５ｂへ向けて反射させる。

ミラー２５ｂは、参照光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｃの端部に隣接して配置され、ハーフミラー２５ａで反射された参照光ＲＬが入射する参照光入射面Ｆ２を有している。参照光入射面Ｆ２は、参照光ＲＬの入射方向に対して所定の角度で傾斜し、ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１と略９０°の角度を成して対向している。ミラー２５ｂは、参照光入射面Ｆ２に入射した参照光ＲＬを反射させて参照光経路を構成する光ファイバ２３ｃに入射させる。

レンズ２５ｃは、ハーフミラー２５ａを透過した測定光ＭＬが窓部２５ｄ及び計測ギャップｇを透過して凹面ミラー２５ｆに入射するように、測定光ＭＬを集光する。また、レンズ２５ｃは、窓部２５ｄから計測ギャップｇへ照射された測定光ＭＬが計測ギャップｇを透過し、凹面ミラー２５ｆによって反射され、再び計測ギャップｇを透過することで得られる信号光ＳＬを、信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂに入射させる。すなわち、窓部２５ｄとギャップ形成部２５ｅとの間の計測ギャップｇ、より詳細には、窓部２５ｄと凹面ミラー２５ｆとの間の計測ギャップｇは、測定光ＭＬを透過させて信号光ＳＬを得るための燃焼室Ｃの測定光路ＬＰになる。

窓部２５ｄは、ギャップ形成部２５ｅに対向し、計測ギャップｇに臨む位置に設けられ、ハーフミラー２５ａ、ミラー２５ｂ、レンズ２５ｃ及びバンドルファイバ２３等をハウジング２０の内部に封止し、これらの内部構造を燃焼室Ｃから隔離している。窓部２５ｄは、例えば、耐熱性の高いサファイアガラス等、測定光ＭＬ及び信号光ＳＬを透過する透明な材質によって製作することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、内燃機関Ｅの燃焼室Ｃの測定光路ＬＰへ測定光ＭＬを照射し、該測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬの強度から該燃焼室Ｃの燃料濃度を測定する装置である。燃料濃度測定装置１００は、測定光路ＬＰに入射する前の測定光ＭＬから参照光ＲＬを分岐させる分岐部としてハーフミラー２５ａを備え、分岐部としてのハーフミラー２５ａは、内燃機関Ｅの内部に配置されている。

また、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、参照光ＲＬの強度を計測する参照光計測部８と、信号光ＳＬの強度を計測する信号光計測部７と、参照光ＲＬの強度と信号光ＳＬの強度とに基づいて燃料濃度を算出する演算部９とを備えている。

また、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、測定光ＭＬを照射する光源１と、該光源１から分岐部としてのハーフミラー２５ａへ測定光ＭＬを伝達する光伝達経路としての光ファイバ２と、測定光路ＬＰから信号光計測部７へ信号光ＳＬを伝達する信号光伝達経路としての光ファイバ３と、を備える。

また、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、分岐部であるハーフミラー２５ａから参照光計測部８へ参照光ＲＬを伝達する参照光伝達経路としての光ファイバ４を備えている。

さらに、分岐部であるハーフミラー２５ａは、内燃機関Ｅが備える点火プラグ１０の燃焼室Ｃ側先端部に設けられている。

以下、以上の構成を備えた本実施形態の燃料濃度測定装置１００の作用について説明する。

燃料濃度測定装置１００によって内燃機関Ｅの燃焼室Ｃの燃料濃度を測定するには、例えば演算部９の制御の下、光源１から測定光ＭＬを照射する。光源１から照射された測定光ＭＬは、レンズ６に入射して集光され、光伝達経路を構成する光ファイバ２の受光部２ａに入射する。受光部２ａに入射した測定光ＭＬは、光伝達経路を構成する光ファイバ２を通り、バンドルファイバ５のコネクタ部５ａに到達し、コネクタ部２２を介して点火プラグ１０のハウジング２０のガイド孔２４を通る光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａに入射する。

コネクタ部２２を介して点火プラグの光ファイバ２３ａに入射した測定光ＭＬは、光ファイバ２３ａを通り、コネクタ部２２と反対側の光ファイバ２３ａの端部から出て、信号光取得部２５のハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射する。ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射した測定光ＭＬの一部は、ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１によって反射され、ミラー２５ｂの参照光入射面Ｆ２に入射して再び反射され、点火プラグ１０のハウジング２０のガイド孔２４を通る参照光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｃに参照光ＲＬとして入射する。ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射した測定光ＭＬの残りの部分は、ハーフミラー２５ａを透過してレンズ２５ｃに入射する。

レンズ２５ｃに入射した測定光ＭＬは、レンズ２５ｃによって集光され、窓部２５ｄを透過して測定光路ＬＰとしての計測ギャップｇに照射される。窓部２５ｄを透過して測定光路ＬＰに照射された測定光ＭＬは、計測ギャップｇを通過して凹面ミラー２５ｆに入射し、凹面ミラー２５ｆによって反射されて再び計測ギャップｇを通過し、測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬとして窓部２５ｄに入射する。

測定光路ＬＰに入射した測定光ＭＬは、測定光路ＬＰを透過する過程で、測定光路ＬＰに存在する燃料の蒸気によって、燃料の濃度に応じた吸収率で吸収される。そのため、測定光路ＬＰに測定光ＭＬを照射し、測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬを取得することで、測定光路ＬＰに存在する燃料の濃度に応じた強度の信号光ＳＬを取得することができる。

測定光路ＬＰを透過して窓部２５ｄに入射した信号光ＳＬは、窓部２５ｄを透過してレンズ２５ｃに入射する。レンズ２５ｃに入射した信号光ＳＬは、レンズ２５ｃを透過して点火プラグ１０の信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂに入射する。なお、凹面ミラー２５ｆを用いることで、信号光ＳＬがハーフミラー２５ａに入射するのを防止できる。また、凹面ミラー２５ｆとレンズ２５ｃにより、信号光ＳＬのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

点火プラグ１０の信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂに入射した信号光ＳＬは、点火プラグ１０のバンドルファイバ２３のコネクタ部２２及び光源１側のバンドルファイバ５のコネクタ部５ａを介して、信号光計測部７に接続された信号光伝達経路を構成する光ファイバ３に入射して、信号光計測部７に到達する。信号光計測部７は、例えば、演算部９の制御の下、信号光ＳＬの強度を測定する。

一方、参照光ＲＬは、ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１で反射され、さらにミラー２５ｂの参照光入射面Ｆ２で反射され、点火プラグ１０のハウジング２０のガイド孔２４を通る参照光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｃに入射する。そして、参照光ＲＬは、点火プラグ１０のバンドルファイバ２３のコネクタ部２２及び光源１側のバンドルファイバ５のコネクタ部５ａを介して、参照光計測部８に接続された参照光伝達経路を構成する光ファイバ４に入射して、参照光計測部８に到達する。参照光計測部８は、例えば演算部９の制御の下、参照光ＲＬの強度を測定する。

演算部９は、信号光計測部７が測定した信号光ＳＬの強度と、参照光計測部８が測定した参照光ＲＬの強度とに基づいて、燃焼室Ｃの燃料濃度を算出する。例えば、信号光ＳＬの強度をＡとし、参照光ＲＬの強度をＢとすると、測定光ＭＬの透過率は、透過率（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００として求めることができる。演算部９は、例えば、測定光ＭＬの透過率を算出し、予め保存された透過率と燃料濃度との関係に基づいて、透過率を燃料濃度に換算し、燃焼室Ｃの燃料濃度を算出することができる。

ここで、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、燃焼室Ｃの測定光路ＬＰに入射する前の測定光ＭＬから参照光ＲＬを分岐させる分岐部としてのハーフミラー２５ａが、点火プラグ１０の燃焼室Ｃ側先端部に設けられている。これにより、ハーフミラー２５ａは、プラグ孔ＰＨを介して内燃機関Ｅの内部に配置されている。したがって、本実施形態の燃料濃度測定装置１００によれば、内燃機関Ｅの内部の光路において、エンジン等の内燃機関Ｅの振動等によって生じる光量変動を正確に検出し、当該光量変動を補償することができ、燃料濃度の測定誤差を従来よりも減少させることができる。また、参照光ＲＬを分岐させるハーフミラー２５ａを内燃機関Ｅの内部に配置することで、燃料濃度測定装置１００を小型化することができ、装置の取り回しを容易にすることができる。

また、本実施形態の燃料濃度測定装置１００は、分岐部であるハーフミラー２５ａから参照光計測部８へ参照光ＲＬを伝達する参照光伝達経路として光ファイバ４及び２３ｃを備えている。これにより、ハーフミラー２５ａによって測定光ＭＬから分岐された参照光ＲＬを、参照光伝達経路である光ファイバ４及び２３ｃによって分岐部であるハーフミラー２５ａから参照光計測部８へ伝達し、参照光ＲＬの強度を測定することができる。したがって、燃料濃度測定装置１００の外部に参照光ＲＬを反射させるハーフミラーを配置する必要がなく、燃料濃度測定装置１００をより小型化することができ、装置の取り回しをより容易にすることができる。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２に係る燃料濃度測定装置１００Ａについて、図１Ｂ及び図２を援用し、図４及び図５を用いて説明する。図４は、実施形態１の図１Ａに相当する実施形態２に係る燃料濃度測定装置１００Ａの概略構成図である。図５は、実施形態１の図３に相当する実施形態２に係る燃料濃度測定装置１００Ａの信号光取得部２５Ａの概略構成を示す模式的な断面図である。

本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａは、信号光取得部２５Ａの分岐部であるハーフミラー２５ａから参照光計測部８へ参照光ＲＬを伝達する光ファイバ２３ｃ及び４を有しない点、光源１と光伝達経路である光ファイバ２との間にガラスミラー２ｂを備える点、及び、信号光取得部２５にミラー２５ｂを有しない点で、前述の実施形態１で説明した燃料濃度測定装置１００と異なっている。本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａのその他の点は、実施形態１で説明した燃料濃度測定装置１００と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して、説明を省略する。

燃料濃度測定装置１００Ａは、光源１と光伝達経路を構成する光ファイバ２との間にガラスミラー２ｂを備えている。ガラスミラー２ｂは、一方から入射した光をすべて透過させるとともに、他方から入射した光の一部を透過させ、残りを反射させる。ガラスミラー２ｂは、光源１から光伝達経路を構成する光ファイバ２に入射する測定光ＭＬをすべて透過させ、分岐部である信号光取得部２５のハーフミラー２５ａで分岐されて光ファイバ２を出た参照光ＲＬの一部を透過させ、残りを反射させて参照光計測部８に入射させるように設けられている。信号光取得部２５Ａのハーフミラー２５ａは、点火プラグ１０のバンドルファイバ２３Ａの光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａの端面に設けられ、測定光ＭＬの一部を参照光ＲＬとして反射させ、残りの測定光ＭＬを透過させる。

以上のように、本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａは、光源１と光伝達経路としての光ファイバ２との間にガラスミラー２ｂを備えている。そして、ガラスミラー２ｂは、光源１から光伝達経路である光ファイバ２に入射する測定光ＭＬを透過させ、分岐部である信号光取得部２５のハーフミラー２５ａで分岐され光伝達経路である光ファイバ２を出た参照光ＲＬを反射させて参照光計測部８に入射させるように設けられている。

以下、本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａの作用について説明する。

燃料濃度測定装置１００Ａによって内燃機関Ｅの燃焼室Ｃの燃料濃度を測定するには、例えば、演算部９の制御の下、光源１から測定光ＭＬを照射する。光源１から照射された測定光ＭＬは、ガラスミラー２ｂを透過し、レンズ６に入射して集光され、光伝達経路を構成する光ファイバ２の受光部２ａに入射する。受光部２ａに入射した測定光ＭＬは、光伝達経路を構成する光ファイバ２を通り、バンドルファイバ５のコネクタ部５ａに到達し、コネクタ部２２を介して点火プラグ１０のハウジング２０のガイド孔２４を通る光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａに入射する。

コネクタ部２２を介して点火プラグ１０の光ファイバ２３ａに入射した測定光ＭＬは、光ファイバ２３ａを通り、コネクタ部２２と反対側の光ファイバ２３ａの端部から出て、信号光取得部２５のハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射する。ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射した測定光ＭＬの一部は、ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１によって反射され、光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａを測定光ＭＬと逆の方向に参照光ＲＬとして戻る。ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１に入射した測定光ＭＬの残りの部分は、ハーフミラー２５ａを透過してレンズ２５ｃに入射する。

レンズ２５ｃに入射した測定光ＭＬは、レンズ２５ｃによって集光され、窓部２５ｄを透過して測定光路ＬＰとしての計測ギャップｇに照射される。窓部２５ｄを透過して測定光路ＬＰに照射された測定光ＭＬは、計測ギャップｇを通過して凹面ミラー２５ｆに入射し、凹面ミラー２５ｆによって反射されて再び計測ギャップｇを通過し、測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬとして窓部２５ｄに入射する。

測定光路ＬＰに入射した測定光ＭＬは、測定光路ＬＰを透過する過程で、測定光路ＬＰに存在する燃料の蒸気によって燃料の濃度に応じた吸収率で吸収される。そのため、測定光路ＬＰに測定光ＭＬを照射し、測定光路ＬＰを透過した信号光ＳＬを取得することで、測定光路ＬＰに存在する燃料の濃度に応じた強度の信号光ＳＬを取得することができる。

測定光路ＬＰを透過して窓部２５ｄに入射した信号光ＳＬは、窓部２５ｄを透過してレンズ２５ｃに入射する。レンズ２５ｃに入射した信号光は、レンズ２５ｃを透過して点火プラグ１０の信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂに入射する。点火プラグ１０の信号光伝達経路を構成する光ファイバ２３ｂに入射した信号光ＳＬは、点火プラグ１０のバンドルファイバ２３Ａのコネクタ部２２及び光源１側のバンドルファイバ５のコネクタ部５ａを介して、信号光計測部７に接続された信号光伝達経路を構成する光ファイバ３に入射して、信号光計測部７に到達する。信号光計測部７は、例えば、演算部９の制御の下、信号光ＳＬの強度を測定する。

一方、参照光ＲＬは、ハーフミラー２５ａの測定光入射面Ｆ１で反射され、光伝達経路を構成する光ファイバ２３ａを測定光ＭＬと逆方向に戻る。そして、参照光ＲＬは、点火プラグ１０のバンドルファイバ２３Ａのコネクタ部２２及び光源１側のバンドルファイバ５のコネクタ部５ａを介して、光源１側の光伝達経路を構成する光ファイバ２に入射し、光ファイバ２から出てレンズ６に入射する。

レンズ６に入射した参照光ＲＬは、レンズ６を透過してガラスミラー２ｂに入射し、一部がガラスミラー２ｂを透過し、残りがガラスミラー２ｂによって反射されて参照光計測部８に入射する。参照光計測部８は、例えば、演算部９の制御の下、参照光ＲＬの強度を測定する。演算部９は、前述の実施形態１と同様に、信号光計測部７が測定した信号光ＳＬの強度と、参照光計測部８が測定した参照光ＲＬの強度とに基づいて、燃焼室Ｃの燃料濃度を算出する。

本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａは、燃焼室Ｃの測定光路ＬＰに入射する前の測定光ＭＬから参照光ＲＬを分岐させる分岐部としてのハーフミラー２５ａが、点火プラグ１０の燃焼室Ｃ側先端部に設けられている。これにより、ハーフミラー２５ａがプラグ孔ＰＨを介して内燃機関Ｅの内部に配置されている。したがって、本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａによれば、内燃機関Ｅの内部の光路において、内燃機関Ｅの振動等によって生じる光量変動を正確に検出し、当該光量変動を補償することができ、燃料濃度の測定誤差を従来よりも減少させることができる。また、参照光ＲＬを分岐させるハーフミラー２５ａを内燃機関Ｅの内部に配置することで、燃料濃度測定装置１００Ａを小型化することができ、装置の取り回しを容易にすることができる。

なお、本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａにおいて、信号光取得部２５Ａの構成は図５に示す構成に限定されない。図６に、本実施形態の燃料濃度測定装置１００Ａにおける信号光取得部２５Ａの変形例を示す。本変形例において、信号光取得部２５Ｂは、ハーフミラー２５ａの光ファイバ２３ａとの反対側に偏向無依存型光アイソレータ２５ｇが配置され、ギャップ形成部２５ｅには凹面ミラー２５ｆの代わりに平面ミラー２５ｈが設けられている。これにより、平面ミラー２５ｈによって反射された信号光ＳＬがハーフミラー２５ａに入射することを防止することができる。したがって、本変形例の信号光取得部２５Ｂを有する燃料濃度測定装置によれば、実施形態２の燃料濃度測定装置１００Ａと同様の効果を得ることができる。

以上、図面を用いて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等があっても、それらは本発明に含まれるものである。例えば、分岐部を有する信号光取得部を内燃機関の内部へ配置するのに、プラグ孔以外の貫通孔を用いてもよい。また、分岐部を有する信号光取得部は、点火プラグと別に設けてもよい。

１ 光源
２ 光ファイバ（光伝達経路）
２ｂ ガラスミラー
３ 光ファイバ（信号光伝達経路）
４ 光ファイバ（参照光伝達経路）
７ 信号光計測部
８ 参照光計測部
９ 演算部
１０ 点火プラグ
２３ａ 光ファイバ（光伝達経路）
２３ｂ 光ファイバ（信号光伝達経路）
２５ａ ハーフミラー（分岐部）
１００ 燃料濃度測定装置
１００Ａ 燃料濃度測定装置
Ｃ 燃焼室
Ｅ 内燃機関
ＬＰ 測定光路
ＭＬ 測定光
ＰＨ プラグ孔
ＲＬ 参照光
ＳＬ 信号光

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室の測定光路へ測定光を照射し、該測定光路を透過した信号光の強度から該燃焼室の燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置であって、
   前記測定光路に入射する前の前記測定光から参照光を分岐させる分岐部を備え、
   前記分岐部は、前記内燃機関の内部に配置されることを特徴とする燃料濃度測定装置。
2. 前記参照光の強度を計測する参照光計測部と、前記信号光の強度を計測する信号光計測部と、前記参照光の強度と前記信号光の強度とに基づいて前記燃料濃度を算出する演算部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料濃度測定装置。
3. 前記測定光を照射する光源と、該光源から前記分岐部へ前記測定光を伝達する光伝達経路と、前記測定光路から前記信号光計測部へ前記信号光を伝達する信号光伝達経路と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料濃度測定装置。
4. 前記分岐部から前記参照光計測部へ前記参照光を伝達する参照光伝達経路を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料濃度測定装置。
5. 前記光源と前記光伝達経路との間にガラスミラーを備え、
   前記ガラスミラーは、前記光源から前記光伝達経路に入射する前記測定光を透過させ、前記分岐部で分岐され前記光伝達経路を出た前記参照光を反射させて前記参照光計測部に入射させるように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料濃度測定装置。
6. 前記分岐部は、前記内燃機関が備える点火プラグの燃焼室側先端部に設けられることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料濃度測定装置。

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