JP6686861B2

JP6686861B2 - 温度センサ装置

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Publication number: JP6686861B2
Application number: JP2016240292A
Authority: JP
Inventors: 亮太阿部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP2018096774A

Description

本発明は、シリンダ（エンジン筒）内の温度を計測するための温度センサ装置に関する。

従来、赤外光を用いて、エンジンの排ガスを排出する排気管内における、排ガスの温度を測定する装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２００６／１１８３４７号

ところで、ノッキングの発生位置はシリンダ内壁面近傍で起こる可能性が高い。

しかしながら、特許文献１に開示されている装置では、排気管の内壁の略対向する位置に設けられた反射部で反射されて排気管の中心部付近を通った、赤外光を用いて、排ガスの温度が測定されている。このため、特許文献１に開示されている装置をシリンダに適用しても、シリンダ内壁面近傍の温度のみを測定することは難しい。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、シリンダ内壁面近傍の温度のみを測定することができる、温度センサ装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る温度センサ装置は、エンジンのシリンダ内の温度を計測するための温度センサ装置であって、前記シリンダ内に位置する反射面を有して、照射部から照射された赤外光を前記反射面によって前記シリンダの壁面に沿う方向に反射することにより、第１反射光を送光すると共に、前記第１反射光が反射された第２反射光を前記反射面によって反射することにより、第３反射光を受光部に向けて送光する、第１反射部と、前記第１反射光を反射することにより、前記第２反射光を前記第１反射部に向けて送光する第２反射部と、を具備する。

本発明によれば、シリンダ内壁面近傍の温度のみを測定することができる、温度センサ装置を提供することができる。

一実施形態の温度センサ装置を含む温度測定装置の一例を示すブロック図である。一実施形態の第１の温度センサ装置の一例を示す部分断面図である。第１の温度センサ装置の第１窓部材及び第２窓部材の部分を拡大した図である。エンジンの構成を模式的に示す図である。シリンダ内の断面を模式に示す図である。シリンダ内の窓部材挿入孔の周辺部分の部分断面図である。第１窓部材の先端部を拡大した図である。第１の温度センサ装置における赤外光の進行経路の説明に供する図である。一実施形態の第２の温度センサ装置の一例を示す部分断面図である。第２の温度センサ装置の窓部材の先端部を拡大した断面図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。

＜温度測定装置の概要＞
図１は、一実施形態の温度センサ装置を含む温度測定装置の一例を示すブロック図である。図１において、温度測定装置１は、照射部２と、温度センサ装置３と、受光部４と、制御部５とを有する。

照射部２は、赤外光を温度センサ装置３に向けて照射する。

温度センサ装置３は、シリンダ内（エンジン筒内）５１の壁面５１Ａ１近傍の温度を測定（計測）するためのものである。温度センサ装置３は、後述するように、シリンダ内５１のリア側壁５１Ａに配設され、その一部がシリンダ内５１に位置している。そして、温度センサ装置３は、照射部２から照射された赤外光を、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向で進行させた後に、受光部４に向けて送光する。温度センサ装置３の詳細については後述する。

受光部４は、温度センサ装置３から受けた光を波長（つまり、周波数）に関して分離し、波長に対する吸光強度を示す「吸光スペクトル」を生成（算出）する。

制御部５は、例えば、温度及び圧力の組み合わせ毎の「吸光スペクトルパタン」を記憶している。そして、制御部５は、受光部４で生成された吸光スペクトルとパタンがマッチする吸光スペクトルパタンを特定して、その吸光スペクトルパタンに対応する温度及び圧力を特定する。この特定された温度が、温度センサ装置３が配設されたシリンダ内５１の測定温度となる。

＜第１の温度センサ装置の構成例＞
図２は、一実施形態の第１の温度センサ装置の一例を示す部分断面図である。図２において、第１の温度センサ装置１０は、案内部１１と、第１窓部材１２と、第２窓部材１３と、反射鏡保持部材１４とを有している。第１の温度センサ装置１０は、上記温度センサ装置３の一例である。

案内部１１は、案内部本体１１Ａと、光ファイバ１１Ｃを保持するファイバ保持部１１Ｂとを有している。案内部本体１１Ａは、中空の筒状である。案内部本体１１Ａの先端部１１Ａ１が第１窓部材１２に挿入されることにより、案内部本体１１Ａは、第１窓部材１２に装着される。案内部本体１１Ａの先端部１１Ａ１と反対側の端部には、ファイバ保持部１１Ｂが配設される。このとき、光ファイバ１１Ｃの一端面が、第１窓部材１２の方向を向いた状態で、案内部本体１１Ａの中空部１１Ａ２に臨んでいる。これにより、案内部１１は、照射部２から受けた光を第１窓部材１２へ送光することができる。

また、案内部本体１１Ａは、光軸調整機構１１Ａ３を有している。この光軸調整機構１１Ａ３を操作することにより、案内部本体１１Ａに対するファイバ保持部１１Ｂの相対位置を調整することができ、これにより、光ファイバ１１Ｃの位置、つまり光軸を調整することができる。

図３は、第１の温度センサ装置の第１窓部材及び第２窓部材の部分を拡大した図である。図３において、第１窓部材１２は、第１窓部材本体１２Ａを有している。第１窓部材本体１２Ａは、中空部１２Ａ１を有する、中空の筒状である。第１窓部材本体１２Ａの開口部１２Ａ２には、上記の通り、案内部本体１１Ａの先端部１１Ａ１が挿入される。第１窓部材本体１２Ａには、開口部１２Ａ２と反対側に、開口部１２Ａ３が設けられている。

また、第１窓部材１２は、サファイア製のプリズム１２Ｄを有している。プリズム１２Ｄは、先端部１２Ｄ１と、基端部１２Ｄ２とを有している。先端部１２Ｄ１は、第１窓部材本体１２Ａの開口部１２Ａ３を通されて、開口部１２Ａ３からシリンダ内５１に向けて突出して、シリンダ内５１に露出している。プリズム１２Ｄの先端部１２Ｄ１は、その法線がシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に対して所定の角度（例えば、４５°）を有する反射面１２Ｄ３を有する。また、プリズム１２Ｄの先端部１２Ｄ１は、その法線がシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に対して略平行な、送受光面１２Ｄ４を有している。この反射面１２Ｄ３及び送受光面１２Ｄ４によって、案内部１１を介して受けた光を、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に送光することができる。一方、プリズム１２Ｄの基端部１２Ｄ２は、第１窓部材本体１２Ａの中空部１２Ａ１の中に配設されている。

また、第１窓部材１２は、中空部１２Ａ１内にプリズム１２Ｄの基端部１２Ｄ２と当接するように配設された、金属製の押付部１２Ｂを有している。押付部１２Ｂは、その周縁部を除く中央部を貫通する貫通孔（図示せず）が設けられており、この貫通孔を光が通るようになっている。

中空部１２Ａ１において押付部１２Ｂを基準としてプリズム１２Ｄと反対側には、筒状のレンズホルダ１２Ｃが配設されている。レンズホルダ１２Ｃは、光を平行光に補正するコリメートレンズ（図示せず）を保持する。このレンズホルダ１２Ｃをネジ（図示せず）で締め付けることにより、押付部１２Ｂ及びプリズム１２Ｄをシリンダ内５１に向けて押し付けることができる。

第２窓部材１３は、上記の第１窓部材１２と同様の構成を有している。ただし、第２窓部材１３は、第１窓部材１２と比べて、プリズム１２Ｄの向きに対して反対方向を向くように、プリズム１３Ｄが配設される点で異なっている。すなわち、プリズム１２Ｄ及びプリズム１３Ｄは、送受光面１２Ｄ４と送受光面１３Ｄ４とが対向するように、配設されている。そして、反射面１２Ｄ３と反射面１３Ｄ３とも向かい合うようになっている。

図２の説明に戻り、反射鏡保持部材１４は、反射鏡保持部材本体１４Ａと、反射鏡保持部１４Ｂとを有している。反射鏡保持部材本体１４Ａは、中空の筒状である。反射鏡保持部材本体１４Ａの先端部１４Ａ１が第２窓部材１３に挿入されることにより、反射鏡保持部材１４は、第２窓部材１３に装着される。反射鏡保持部材本体１４Ａの先端部１４Ａ１と反対側の端部には、反射鏡保持部１４Ｂが配設される。反射鏡保持部１４Ｂは、反射鏡位置調整機構１４Ｂ１を有しており、反射鏡位置調整機構１４Ｂ１の先端には、反射鏡１４Ｃが配設されている。反射鏡位置調整機構１４Ｂ１は、反射鏡保持部材本体１４Ａの中空部１４Ａ２内を移動可能に構成されており、これにより、反射鏡１４Ｃの位置を調整することができる。

次に、シリンダにおける第１の温度センサ装置１０の配設位置について説明する。まず、第１の温度センサ装置１０が装着されるエンジン５０の構成について説明する。図４は、エンジンの構成を模式的に示す図である。図５は、エンジン燃焼室の断面を模式に示す図である。

図４において、エンジン５０は、シリンダと、シリンダ内５１にそれぞれ連通する吸気管５２及び排気管５３とを有している。

シリンダ内５１は、シリンダ壁によって囲まれた中空部を有する筒状である。シリンダ内５１には、ピストン５４が摺動可能に配設されている。

吸気管５２とシリンダ内５１との境には、エンジンサイクルに合わせて、吸気管５２とシリンダ内５１とを連通させる位置と、吸気管５２とシリンダ内５１とを連通させずに仕切る位置とを移動可能に構成された、吸気バルブ５５が配設されている。

また、排気管５３とシリンダ内５１との境には、エンジンサイクルに合わせて、排気管５３とシリンダ内５１とを連通させる位置と、排気管５３とシリンダ内５１とを連通させずに仕切る位置とを移動可能に構成された、排気バルブ５６が配設されている。

吸気バルブ５５、排気バルブ５６、ピストン５４、及びシリンダ壁によって囲まれた空間が、燃焼室となっている。

また、エンジン５０は、この燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ５７と、スパークプラグ５８とを有している。

図５に示すように、シリンダのリア側壁５１Ａには、窓部材挿入孔５１Ｂ、窓部材挿入孔５１Ｃ、及び、窓部材挿入孔５１Ｄが設けられている。窓部材挿入孔５１Ｂ、窓部材挿入孔５１Ｃ、及び、窓部材挿入孔５１Ｄは、それぞれ、リア側壁５１Ａを貫通しており、シリンダ内５１の空間とシリンダの外側空間とを連通させている。

図６は、シリンダの窓部材挿入孔の周辺部分の部分断面図である。図６には、窓部材挿入孔５１Ｂ及び窓部材挿入孔５１Ｃに、第１窓部材１２及び第２窓部材１３がそれぞれ挿入されている状態が示されている。すなわち、窓部材挿入孔５１Ｂ及び窓部材挿入孔５１Ｃは、それぞれ、第１窓部材１２及び第２窓部材１３を挿入する貫通孔である。また、図６には、第１窓部材１２及び第２窓部材１３に、それぞれ、案内部本体１１Ａ及び反射鏡保持部材本体１４Ａが挿入されている状態が示されている。

図５に戻り、窓部材挿入孔５１Ｄは、後述する第２の温度センサ装置２０の窓部材２２を挿入するための貫通孔である。ここでは、第１の温度センサ装置１０と第２の温度センサ装置２０とは同時に使用されないことを前提としているので、図６及び後述する図８において、窓部材２２には、窓部材２２の中空部２２Ａ１を埋める、シール部材５１Ｅが配設されている。

ここで、上記の通り、プリズム１２Ｄの反射面１２Ｄ３は、その法線がシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に対して所定の角度（例えば、４５°）を有している（図７参照）。これにより、反射面１２Ｄ３（正確には、反射面１２Ｄ３の裏面）は、シリンダ内５１の火炎を直接的に受けるが、その影響を軽減することができる。一方、プリズム１２Ｄの送受光面１２Ｄ４は、その法線がシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に対して略平行となっている（図７参照）。これにより、送受光面１２Ｄ４はシリンダ内５１の火炎を直接的に受けることを回避できるので、煤等によって及ぼされる赤外光への影響を軽減することができる。これと同じことが、プリズム１３Ｄについても言える。

＜第１の温度センサ装置における光の進行＞
以上の構成を有する第１の温度センサ装置１０における赤外光の進行経路について説明する。図８は、第１の温度センサ装置における赤外光の進行経路の説明に供する図である。図８においては、第１の温度センサ装置１０の構成は模式的に描かれている。

図８に示すように、照射部２から照射された赤外光Ｌ１が、案内部１１及び第１窓部材１２の内部を通った後に、プリズム１２Ｄの反射面１２Ｄ３によってシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に反射されることにより、第１窓部材１２は、第１反射光Ｌ２を送光する。すなわち、プリズム１２Ｄ（第１窓部材１２）は、第１の温度センサ装置１０において「第１反射部」を構成している。

また、第１窓部材１２は、第１反射光Ｌ２が「第２反射部」によって反射された第２反射光Ｌ３を反射面１２Ｄ３によって反射することにより、第３反射光Ｌ４を受光部４に向けて送光する。

より詳細には、第１反射光Ｌ２は、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿って進行した後に、第２窓部材１３のプリズム１３Ｄの反射面１３Ｄ３によって反射されて、第２窓部材１３の内部を第４反射光Ｌ５として進行する。第４反射光Ｌ５は、反射鏡１４Ｃによって反射されて、第２窓部材１３の内部を第５反射光Ｌ６として進行する。この第５反射光Ｌ６が第２窓部材１３のプリズム１３Ｄの反射面１３Ｄ３によって反射されて、上記の第２反射光Ｌ３となる。すなわち、第１の温度センサ装置１０における、上記の「第２反射部」は、少なくとも、プリズム１３Ｄ及び反射鏡１４Ｃを含んでいる。

＜第２の温度センサ装置の構成例＞
図９は、一実施形態の第２の温度センサ装置の一例を示す部分断面図である。図９において、第２の温度センサ装置２０は、案内部２１と、窓部材２２とを有している。第２の温度センサ装置２０は、上記温度センサ装置３の一例である。案内部２１は、第１の温度センサ装置１０の案内部１１と同様の構成を有している。

図１０は、第２の温度センサ装置の窓部材の先端部を拡大した断面図である。図９及び図１０において、窓部材２２は、窓部材本体２２Ａを有している。窓部材本体２２Ａは、中空部２２Ａ１を有する、中空の筒状である。窓部材本体２２Ａの開口部２２Ａ２には、案内部２１の先端部が挿入される。窓部材本体２２Ａには、開口部２２Ａ２と反対側に、開口部２２Ａ３が設けられている。

また、窓部材２２は、開口部２２Ａ３を塞ぐ、サファイア製の蓋部２２Ｄを有している。また、窓部材２２は、中空部２２Ａ１内に蓋部２２Ｄと当接するように配設された、金属製の押付部２２Ｂを有している。押付部２２Ｂは、その周縁部を除く中央部を貫通する貫通孔（図示せず）が設けられており、この貫通孔を光が通るようになっている。

中空部２２Ａ１において押付部２２Ｂを基準として蓋部２２Ｄと反対側には、筒状のレンズホルダ２２Ｃが配設されている。レンズホルダ２２Ｃは、光を平行光に補正するコリメートレンズ（図示せず）を保持する。このレンズホルダ２２Ｃをネジ（図示せず）で締め付けることにより、押付部２２Ｂ及び蓋部２２Ｄをシリンダ内５１に向けて押し付けることができる。

また、窓部材２２は、一端部が開口部２２Ａ３に取り付けられ、他端部がシリンダ内５１に位置する、中空筒状の反射体保持部２２Ｅを有している。反射体保持部２２Ｅのシリンダ内５１に位置する端部には、反射体支持板２２Ｅ１が配設されている。この反射体支持板２２Ｅ１には、反射体保持部２２Ｅの内部空間とシリンダ内５１の空間とを連通する貫通孔（図示せず）が設けられている。これにより、反射体保持部２２Ｅの内部空間の温度は、シリンダ内５１の空間の温度と略等しい。

反射体支持板２２Ｅ１の蓋部２２Ｄと対向する面（つまり、反射体支持板２２Ｅ１におけるシリンダ内５１の面と反対側の面）上には、金属製の反射体２２Ｆが配設されている。反射体２２Ｆには、その法線がシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に対して所定の角度（例えば、４５°）を有する反射面２２Ｆ１を有する。この反射面２２Ｆ１によって、案内部２１を介して受けた光を、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に送光することができる。

また、反射体２２Ｆが配設された側と反対側の反射体保持部２２Ｅの側壁２２Ｅ２の内面には、金属製の反射鏡２２Ｇが配設されている。この反射鏡２２Ｇは、側壁２２Ｅ２と一体であってもよいし、別体であってもよい。

＜第２の温度センサ装置における光の進行＞
以上の構成を有する第２の温度センサ装置２０における赤外光の進行経路について説明する。

図１０に示すように、照射部２から照射された赤外光Ｌ１１が、案内部２１及び窓部材２２の内部を通った後に、反射体２２Ｆの反射面２２Ｆ１によってシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に反射されることにより、窓部材２２は、第１反射光Ｌ１２を送光する。すなわち、反射体２２Ｆは、第２の温度センサ装置２０において「第１反射部」を構成している。

反射鏡２２Ｇは、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿って進行して来た第１反射光Ｌ１２を反射することにより、第２反射光Ｌ１３を反射面２２Ｆ１に向けて送光する。すなわち、反射鏡２２Ｇは、第２の温度センサ装置２０において「第２の反射部」を構成している。

反射体２２Ｆの反射面２２Ｆ１は、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿って進行して来た第２反射光Ｌ１３を反射することにより、第３反射光Ｌ１４を受光部４に向けて送光する。

なお、上記の通り、第１の温度センサ装置１０と第２の温度センサ装置２０とは同時に使用されないことを前提としているので、第２の温度センサ装置２０が使用される場合には、第１窓部材１２の中空部１２Ａ１及び第２窓部材１３の中空部１３Ａ１を、シール部材５１Ｅで埋めた状態にする。

以上のように本実施形態によれば、第１の温度センサ装置１０において、「第１反射部」であるプリズム１２Ｄ（第１窓部材１２）は、シリンダ内５１に位置する反射面１２Ｄ３を有して、照射部２から照射された赤外光Ｌ１を反射面１２Ｄ３によってシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に反射することにより、第１反射光Ｌ２を送光すると共に、第１反射光Ｌ２が反射された第２反射光Ｌ３を反射面１２Ｄ３によって反射することにより、第３反射光Ｌ４を受光部４に向けて送光する。また、「第２反射部」であるプリズム１３Ｄ及び反射鏡１４Ｃは、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿うように進行して来た第１反射光Ｌ２を反射することにより、第２反射光Ｌ３をプリズム１２Ｄに向けて送光する。

この第１の温度センサ装置１０の構成により、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１近傍の温度のみを測定することができる。

また、第１の温度センサ装置１０において、プリズム１２Ｄ及びプリズム１３Ｄは、それぞれ別体である、第１窓部材１２及び第２窓部材１３に配設されている。

この第１の温度センサ装置１０の構成により、第１の温度センサ装置１０を大型化することなく、シリンダ内５１における、第１反射光Ｌ２及び第２反射光Ｌ３の進行距離を長くすることができる。この結果、シリンダ内５１の温度の測定精度を向上させることができる。

また、第２の温度センサ装置２０において、「第１反射部」である反射体２２Ｆは、シリンダ内５１に位置する反射面２２Ｆ１を有して、照射部２から照射された赤外光Ｌ１１を反射面２２Ｆ１によってシリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿う方向に反射することにより、第１反射光Ｌ１２を送光すると共に、第１反射光Ｌ１２が反射された第２反射光Ｌ１３を反射面２２Ｆ１によって反射することにより、第３反射光Ｌ１４を受光部４に向けて送光する。また、「第２反射部」である反射鏡２２Ｇは、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１に沿うように進行して来た第１反射光Ｌ１２を反射することにより、第２反射光Ｌ１３を反射体２２Ｆに向けて送光する。

この第２の温度センサ装置２０の構成により、シリンダ内５１の壁面５１Ａ１近傍の温度のみを測定することができる。

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。

１温度測定装置
２照射部
３温度センサ装置
４受光部
５制御部
１０第１の温度センサ装置
１１案内部
１１Ａ案内部本体
１１Ａ１先端部
１１Ａ２中空部
１１Ａ３光軸調整機構
１１Ｂファイバ保持部
１１Ｃ光ファイバ
１２第１窓部材
１２Ａ第１窓部材本体
１２Ａ１，１３Ａ１中空部
１２Ａ２，１２Ａ３，１３Ａ２，１３Ａ３開口部
１２Ｂ，１３Ｂ押付部
１２Ｃ，１３Ｃレンズホルダ
１２Ｄ，１３Ｄプリズム
１２Ｄ１，１３Ｄ１先端部
１２Ｄ２，１３Ｄ２基端部
１２Ｄ３，１３Ｄ３反射面
１２Ｄ４，１３Ｄ４送受光面
１３第２窓部材
１３Ａ第２窓部材本体
１４反射鏡保持部材
１４Ａ反射鏡保持部材本体
１４Ａ１先端部
１４Ａ２中空部
１４Ａ３光軸調整機構
１４Ｂ反射鏡保持部
１４Ｂ１反射鏡位置調整機構
１４Ｃ反射鏡
２０第２の温度センサ装置
２１案内部
２２窓部材
２２Ａ窓部材本体
２２Ａ１中空部
２２Ａ２，２２Ａ３開口部
２２Ｂ押付部
２２Ｃレンズホルダ
２２Ｄ蓋部
２２Ｅ反射体保持部
２２Ｅ１反射体支持板
２２Ｅ２側壁
２２Ｆ反射体
２２Ｆ１反射面
２２Ｇ反射鏡
５０エンジン
５１シリンダ内（エンジン筒内）
５１Ａリア側壁
５１Ａ１壁面
５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ窓部材挿入孔
５１Ｅシール部材
５２吸気管
５３排気管
５４ピストン
５５吸気バルブ
５６排気バルブ
５７インジェクタ
５８スパークプラグ

Claims

エンジンのシリンダ内の温度を計測するための温度センサ装置であって、
前記シリンダ内に位置する反射面を有して、照射部から照射された赤外光を前記反射面によって前記シリンダの壁面に沿う方向に反射することにより、第１反射光を送光すると共に、前記第１反射光が反射された第２反射光を前記反射面によって反射することにより、第３反射光を受光部に向けて送光する、第１反射部と、
前記第１反射光を反射することにより、前記第２反射光を前記第１反射部に向けて送光する第２反射部と、
を具備する、温度センサ装置。