JP6687398B2

JP6687398B2 - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP6687398B2
Application number: JP2016011613A
Authority: JP
Inventors: 高伸青地; 俊樹森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-01-25
Also published as: JP2017133856A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室における燃料ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

特許文献１に記載されているガス濃度検出装置は、燃焼室に光を放射する発光部と、燃焼室に放射された光を反射する反射部と、反射された光を受ける受光部と、検出部とを有している。発光部は、赤外線等の光を発する光源としての発光器と、該発光器に連結され、前記発光器から入射された光を燃焼室に放射する発光側光ファイバとを有している。反射部には、燃焼室に配設され、光を反射する反射板と、シリンダヘッドに連結され、該反射板を支持する支持片とが設けられている。受光部には、光を受ける受光器と、該受光器に連結され、反射部によって反射された光が入射する受光側光ファイバとが設けられている。発光部の発光側光ファイバから燃焼室に放射された光は、反射部の反射板において反射し、受光部の受光側光ファイバに入射する。受光側光ファイバに入射した光は、該ファイバ内を伝搬することで受光器に伝えられる。燃焼室における光の経路上に燃料ガスが存在すると、該燃料ガスによって光が吸収され、受光側光ファイバに入射される光の強度が低下する。ガス濃度検出装置の検出部は、発光器から発せられた光の強度と、受光器に伝えられた光の強度とに基づいて燃焼室に存在する燃料ガスの濃度を検出する。

特開２００５‐２３３６９４号公報

特許文献１に記載されているガス濃度検出装置では、燃焼熱を受けて、反射板や該反射板を支持する支持片の温度が上昇することがある。この温度上昇により、反射板や支持片から赤外線が放射されると、発光器からの光に由来して受光器に伝えられた光にその赤外線の影響が重畳され、燃焼室における燃料ガスの濃度を正確に検出することが困難になることもある。特許文献１に記載のガス濃度検出装置では、この点については考慮されておらず、未だ改善の余地がある。

上記課題を解決するためのガス濃度検出装置は、光を発する発光器、及び該発光器に連結され、前記発光器から入射された光を燃焼室に放射する発光側光ファイバを含む発光部と、前記燃焼室に配設され、前記発光側光ファイバから放射される光を反射する反射板、及びシリンダヘッドに連結され、前記反射板を支持する支持片を含む反射部と、光を受ける受光器、及び該受光器に連結され、前記反射部によって反射された光が入射する受光側光ファイバを含む受光部と、前記発光器から発せられた光の強度と前記受光器が受けた光の強度とに基づいて燃焼室における燃料ガスの濃度を検出する検出部とを備えるガス濃度検出装置であって、前記支持片は、外層と該外層の内部に設けられた内層とを有し、前記内層は前記外層よりも熱伝導率の高い材料からなる。

上記構成によれば、反射部の熱は、特に支持片の内層を介してシリンダヘッドに伝達されやすくなる。支持片や該支持片に支持されている反射板の温度が上昇しにくくなり、これら支持片及び反射板からの赤外線の放射を抑えることができる。したがって、燃焼室における燃料ガスの濃度をより正確に検出することができる。

ガス濃度検出装置を備える内燃機関の概略構成を示す模式図。ガス濃度検出装置及び点火プラグの断面図。図２の３−３線に沿った断面の一部を示す図。ガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。他の例のガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。

ガス濃度検出装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
内燃機関のシリンダブロック１０には、シリンダ１０Ａが設けられている。シリンダ１０Ａには、往復動可能にピストン１１が収容されている。シリンダブロック１０の上端にはシリンダヘッド１２が連結されている。内燃機関には、シリンダ１０Ａ、ピストン１１、及びシリンダヘッド１２によって燃焼室１３が構成されている。シリンダヘッド１２には、燃焼室１３に吸気を導入する吸気ポート１４と、燃焼室１３から排気を排出する排気ポート１５とが設けられている。吸気ポート１４には、該吸気ポート１４と燃焼室１３とを連通、遮断する吸気バルブ１６が設けられている。吸気ポート１４には、燃料噴射弁１７が配設されている。燃料噴射弁１７から噴射された燃料は、吸気ポート１４を流れる吸気と混合される。燃料と吸気との混合気は吸気バルブ１６の開弁に伴い燃焼室１３に導入される。燃焼室１３には点火プラグ１９が設けられている。燃焼室１３に導入された混合気は、点火プラグ１９によって着火されて燃焼する。排気ポート１５には、該排気ポート１５と燃焼室１３とを連通、遮断する排気バルブ１８が設けられている。燃焼室１３において燃焼した混合気は排気となり、排気バルブ１８の開弁に伴い排気ポート１５に排出される。

シリンダヘッド１２は、燃焼室１３に連通し、その内面が雌ねじである固定孔２０を有している。固定孔２０には、その外面が雄ねじである固定体２１が螺合されている。固定体２１は、略円柱状に形成されており、シリンダヘッド１２の一部を構成している。図２に示すように、固定体２１は、大径部２２と、該大径部２２よりも小径の小径部２３とを有している。小径部２３の外周面が前記雄ねじを構成している。固定体２１には、大径部２２と小径部２３とを貫通してそれぞれ延びている第１貫通孔２４及び第２貫通孔２５が形成されている。

第１貫通孔２４には上述した点火プラグ１９の本体部２６が固定されている。本体部２６は、絶縁材からなり、円筒状に構成されている絶縁部２７を有している。絶縁部２７の外面は、第１貫通孔２４の内面に当接している。絶縁部２７の長さは、第１貫通孔２４の軸方向長さよりも長い。絶縁部２７の燃焼室１３側の端面は固定体２１の燃焼室１３側の端面と面一であり、絶縁部２７の燃焼室１３の反対側の端部は固定体２１から突出している。絶縁部２７の内部には、導通部材からなる導通部２８が固定されている。導通部２８の長さは絶縁部２７の長さよりも長く、導通部２８の両端部は絶縁部２７から突出している。導通部２８は、円柱状の柱部２９と、柱部２９の燃焼室１３側の一端に連結された台座部３０とを有している。台座部３０は、柱部２９の反対側ほど縮径している。台座部３０の先端には、中心電極３１が設けられている。点火プラグ１９は、固定体２１に連結されている支持板３３を有している。支持板３３は、断面がＬ字状に形成されており、固定体２１から突出して延びている板状の突出板部３４と、該突出板部３４の先端から屈曲して延びている板状の対向板部３５とからなる。対向板部３５は、中心電極３１に対向する接地電極３２を有している。中心電極３１と接地電極３２とは燃焼室１３に配設されており、これらの間には隙間が設けられている。図１に示すように、導通部２８の柱部２９には、燃焼室１３の反対側の端部に点火コイル３６が連結されている。点火コイル３６は、電源電圧を瞬間的に昇圧して中心電極３１に印加する。点火コイル３６から中心電極３１に高電圧が印加されると、中心電極３１と接地電極３２との間に放電現象が生じて火花が発生する。

内燃機関には電子制御装置３７が設けられている。電子制御装置３７には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトの回転に応じたパルス信号を出力するクランク角センサ３８や、アクセルペダルの操作量であるアクセル操作量を検出するアクセルセンサ３９などの各種センサから出力された信号が入力される。電子制御装置３７は、クランク角センサ３８の出力信号に基づいて機関回転速度やクランク角を算出する。電子制御装置３７は、クランク角等に基づいて点火コイル３６の駆動を制御することにより、燃焼室１３における混合気の点火タイミングを調節する。また、電子制御装置３７は、機関回転速度及びアクセル操作量に基づいて燃料噴射弁１７を制御し、吸気ポート１４に噴射される燃料の量を調節する。

内燃機関には、ガス濃度検出装置４０が設けられている。ガス濃度検出装置４０は、燃焼室１３に光を放射する発光部４１と、燃焼室１３に放射された光を反射する反射部４２と、反射された光を受ける受光部４３と、電子制御装置３７の一部を構成している検出部４４とを有している。発光部４１は、電子制御装置３７に電気的に接続された光源としての発光器４５を有している。発光器４５は、赤外線を放射可能なレーザー装置であり、電子制御装置３７によってその駆動が制御されている。発光器４５には、発光部４１の構成部材である発光側光ファイバ４６の一端が連結されている。

図２に示すように、発光側光ファイバ４６は、光を伝搬するコア４６Ａと、該コア４６Ａの周囲を覆う保護層４６Ｂとからなる。発光側光ファイバ４６は、燃焼室１３側の他端部が固定体２１の第２貫通孔２５に挿通されている。発光側光ファイバ４６の他端部には、封止部材４８Ａが連結されている。封止部材４８Ａは、第２貫通孔２５の燃焼室１３側の開口に配設されている。これにより、発光側光ファイバ４６は燃焼室１３に露出せず、封止部材４８Ａが燃焼室１３に露出した状態になっている。第２貫通孔２５には、受光部４３の構成部材である受光側光ファイバ４７も挿通されている。受光側光ファイバ４７は、光を伝搬するコア４７Ａと、該コア４７Ａの周囲を覆う保護層４７Ｂとからなる。受光側光ファイバ４７の燃焼室１３側の端部には、封止部材４８Ｂが連結されている。封止部材４８Ｂは、第２貫通孔２５の燃焼室１３側の開口に配設されている。これにより、受光側光ファイバ４７は燃焼室１３に露出せず、封止部材４８Ｂが燃焼室１３に露出した状態になっている。発光側光ファイバ４６が当接している封止部材４８Ａと、受光側光ファイバ４７が当接している封止部材４８Ｂとは隣り合っており、これらは一体物として第２貫通孔２５の燃焼室１３側の開口を封止している封止部材４８を構成している。図１に示すように、受光側光ファイバ４７における燃焼室１３の反対側の端部は、受光部４３の構成部材である受光器４９に連結されている。受光器４９は、受けた光の強度に対応した電気信号を出力する。受光器４９は、電子制御装置３７に電気的に接続されている。

また、図２及び図３に示すように、ガス濃度検出装置４０の反射部４２は、固定体２１、すなわちシリンダヘッド１２に連結されている支持片５０を有している。支持片５０は、固定体２１から突出して延びている。支持片５０は、外層５１と該外層５１の内部に設けられた内層５２とを有している。外層５１は、例えばニッケル合金からなり、内層５２は、外層５１よりも熱伝導率の高い材料、例えば銅からなる。支持片５０の内層５２は、一端が固定体２１の端面まで延びている。支持片５０の先端部には、該支持片５０から屈曲して延びている反射板５３が支持されている。反射板５３は、外層５４と該外層５４の内部に設けられた内層５５とを有している。外層５４は、例えばニッケル合金からなり、内層５５は、外層５４よりも熱伝導率の高い材料、例えば銅からなる。支持片５０の内層５２と反射板５３の内層５５とは互いに連続している。反射板５３の外層５４は、封止部材４８と対向する対向面５４Ａを有している。反射板５３の内層５５は対向面５４Ａ側に偏った位置に設けられている。すなわち、対向面５４Ａから内層５５までの距離ｄ１は、外層５４における対向面５４Ａの反対側の反対面５４Ｂから内層５５までの距離ｄ２よりも短くなっている（ｄ１＜ｄ２）。これら反射板５３及び支持片５０は燃焼室１３に配設されている。

発光側光ファイバ４６及び受光側光ファイバ４７は、燃焼室１３側の端部においてその先端ほど互いに近接するように若干斜めに、もしくは互いに平行に配設されている。図４に示すように、本実施形態では、発光側光ファイバ４６及び受光側光ファイバ４７の燃焼室１３側の端部を若干斜めに配設している。電子制御装置３７によって発光器４５が駆動され、該発光器４５から所定の強度で赤外線が発せられると、該赤外線は発光側光ファイバ４６内を伝搬し、該発光側光ファイバ４６の燃焼室１３側の端部から放射される。図４に一点鎖線で示すように、発光側光ファイバ４６の燃焼室１３側の端部から放射された赤外線は、封止部材４８を透過して燃焼室１３に放射される。燃焼室１３に放射された赤外線は、反射板５３の対向面５４Ａに所定の入射角度で入射し、対向面５４Ａにおいて該入射角度と同じ反射角度で反射する。反射した赤外線は、再度封止部材４８を透過して受光側光ファイバ４７に入射する。受光側光ファイバ４７に入射した赤外線は、該ファイバ４７内を伝搬することで受光器４９に伝えられる。受光器４９は、受けた光の強度に対応した電気信号を検出部４４に出力する。燃焼室１３における光の経路上に燃料ガスが存在すると、該燃料ガスによって光が吸収され、発光器４５から発せられる光の強度に対して、受光側光ファイバ４７に入射する光の強度が低下する。検出部４４は、電子制御装置３７によって発光器４５が駆動されたときの駆動量に基づいて、発光器４５から発せられる光の強度を算出し、この算出した光の強度と、受光器４９から入力された光の強度との差が大きくなるほど濃くなるように、燃焼室１３における燃料ガスの濃度を検出する。なお、封止部材４８において吸収される光の量は、燃料ガスによって吸収される光の量に対して無視できるほど小さい。

本実施形態の作用効果について説明する。
（１）ガス濃度検出装置４０の反射部４２は、燃焼室１３に配設されている。反射部４２の支持片５０は、シリンダヘッド１２に連結され、外層５１と該外層５１よりも熱伝導率の高い材料からなる内層５２とを有しているため、反射部４２が燃焼熱を受けたときに、該反射部４２の熱が特に内層５２を通じてシリンダヘッド１２に伝達されやすくなる。そのため、支持片５０や該支持片５０に支持されている反射板５３の温度が上昇しにくくなり、これら支持片５０及び反射板５３からの赤外線の放射が抑えられる。したがって、本実施形態によれば、受光側光ファイバ４７に入射される光に反射部４２自体から放射される赤外線の影響が重畳されにくくなり、燃焼室１３における燃料ガスの濃度をより正確に検出することができる。

（２）反射部４２の反射板５３が、外層５４と該外層５４よりも熱伝導率の高い材料からなる内層５５とによって構成されている。そのため、反射板５３の熱が支持片５０を介してシリンダヘッド１２に伝達されやすくなる。反射板５３は対向面５４Ａを有しており、発光側光ファイバ４６から燃焼室１３に放射された光を反射する。反射板５３からの赤外放射を抑えることにより、受光側光ファイバ４７に入射される光への影響を好適に取り除くことができる。

（３）反射板５３において、内層５５は対向面５４Ａ側に偏った位置に設けられているため、対向面５４Ａ側の温度上昇が好適に抑えられる。したがって、ガス濃度検出装置４０において燃料ガスの濃度を正確に検出する上で、より適切な構成を実現できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・反射板の構成は上述したものに限られない。例えば、図５〜図１０に示す構成を採用することができる。

図５に示すように、反射板６０は、外層６１と該外層６１よりも熱伝導率の高い材料からなる内層６２とを有している。反射板６０には、外層６１に固定され、封止部材４８と対向している反射材６３が設けられている。この構成では、発光側光ファイバ４６から燃焼室１３に放射された赤外線は、反射部４２の反射材６３において反射し、受光側光ファイバ４７に入射する。すなわち、反射部４２において赤外線を反射する反射面６３Ａは、反射材６３によって構成されている。なお、反射材６３は、外層６１と同じ材料や、内層６２と同じ材料によって構成してもよいし、外層６１及び内層６２とは異なる材料によって構成してもよい。また、図６に示すように、上述した反射材６３を備える構成において、反射材６３を外層６１に埋設するようにしてもよい。さらには、反射材６３の反射面６３Ａを湾曲させることも可能である。例えば、図７に示すように、外層６１に埋設した反射材６３の反射面６３Ａを湾曲させてもよい。この場合には、発光側光ファイバ４６及び受光側光ファイバ４７の燃焼室１３側の端部を互いに平行に配設してもよい。なお、この場合であっても、発光側光ファイバ４６及び受光側光ファイバ４７の燃焼室１３側の端部を若干斜めに配設することもできる。この構成では、発光側光ファイバ４６から放射された光は、反射板６０の反射面６３Ａにおいて所定の反射角で反射し、受光側光ファイバ４７に入射する。

また、図８に示すように、反射板８０は、外層８１と該外層８１よりも熱伝導率の高い材料からなる内層８２とによって構成されている。内層８２は、一部が外層８１から露出している。反射板８０における封止部材４８と対向する対向面８３は、内層８２と外層８１とによって構成されている。すなわち、対向面８３は、内層８２によって構成されて赤外線を反射する反射面８３Ａと、外層８１によって構成されて反射面８３Ａの外側に配設された外周面８３Ｂとを有している。

また、図９に示すように、内層８２の一部が外層８１から露出している上記構成において、内層８２に窪み８２Ａを形成し、該窪み８２Ａに反射材８４を固定するようにしてもよい。この構成では、反射板８０における封止部材４８と対向する対向面８５は、内層８２、外層８１、及び反射材８４によって構成されている。すなわち、対向面８５は、反射材８４によって構成されて赤外線を反射する反射面８５Ａと、内層８２によって構成されて反射面８５Ａを囲む環状の環状面８５Ｂと、外層８１によって構成されて環状面８５Ｂの外側に配設された外周面８５Ｃとを有している。

また、図１０に示すように、反射板９０は、外層９１と該外層９１よりも熱伝導率の高い材料からなる内層９２とによって構成されている。内層９２は、一部が外層９１から露出している。反射板９０は、内層９２の封止部材４８側の露出面を覆うように設けられている反射材９３を有している。反射材９３は、赤外線を反射する反射面９３Ａを構成している。こうした図５〜図１０に示す構成によっても、反射部４２の熱がシリンダヘッド１２に伝達されやすくなる。そのため、反射部４２の温度上昇が抑えられ、燃焼室１３における燃料ガスの濃度をより正確に検出することができる。また、反射材６３，８４，９３を外層と該外層よりも熱伝導率の高い材料からなる内層とによって構成するようにしてもよい。この場合には、反射材６３，８４，９３の内層が、支持片５０の内層５２または反射板５３の内層６２，８２，９２と連続した構成とすることが望ましい。

・反射板５３において、内層５５を対向面５４Ａ側に偏心させなくてもよい。すなわち、対向面５４Ａから内層５５までの距離ｄ１を、外層５４の反対面５４Ｂから内層５５までの距離ｄ２と同じにしてもよいし（ｄ１＝ｄ２）、上記距離ｄ１を上記距離ｄ２よりも長くしてもよい（ｄ１＞ｄ２）。

・支持片５０において、内層５２を所定の方向に偏心させて設けるようにしてもよい。
・発光器４５として、レーザー装置を用いた例を示したが、赤外線を放射することが可能であれば、赤外線ランプなど他の光源を用いてもよい。

・封止部材４８Ａ及び封止部材４８Ｂを互いに密着させて配設することが可能であれば、これらを一体物ではなく別々の部材として構成してもよい。また、封止部材４８Ａ及び封止部材４８Ｂの少なくとも一方を省略してもよい。

・反射部４２において支持片５０のみを外層５１と内層５２との層状構造にしてもよい。すなわち、反射板５３は外層５４と内層５５との層状構造にしなくてもよい。
・支持片５０や反射板５３を３層以上の層状構造にしてもよい。例えば、外層と、該外層よりも熱伝導率の高い材料からなる中間層と、該中間層よりも熱伝導率の高い内層とによって支持片５０や反射板５３を構成してもよい。

・ガス濃度検出装置４０を制御する駆動制御装置を電子制御装置３７とは別体に設けてもよい。この構成では、駆動制御装置と発光器４５及び受光器４９とを電気的に接続し、該駆動制御装置によって発光器４５を駆動するとともに、該駆動制御装置に受光器４９からの電気信号を入力する。駆動制御装置には検出部が設けられている。検出部は、発光器４５から発せられる光の強度と、受光器４９から入力された光の強度との差に基づいて燃焼室１３における燃料ガスの濃度を検出する。こうした構成では、ガス濃度検出装置は、電子制御装置３７を構成部として含まず、該電子制御装置３７とは別体に設けられる。

１０…シリンダブロック、１０Ａ…シリンダ、１１…ピストン、１２…シリンダヘッド、１３…燃焼室、１４…吸気ポート、１５…排気ポート、１６…吸気バルブ、１７…燃焼噴射弁、１８…排気バルブ、１９…点火プラグ、２０…固定孔、２１…固定体、２２…大径部、２３…小径部、２４…第１貫通孔、２５…第２貫通孔、２６…本体部、２７…絶縁部、２８…導通部、２９…柱部、３０…台座部、３１…中心電極、３２…接地電極、３３…支持板、３４…突出板部、３５…対向板部、３６…点火コイル、３７…電子制御装置、３８…クランク角センサ、３９…アクセルセンサ、４０…ガス濃度検出装置、４１…発光部、４２…反射部、４３…受光部、４４…検出部、４５…発光器、４６…発光側光ファイバ、４６Ａ…コア、４６Ｂ…保護層、４７…受光側光ファイバ、４７Ａ…コア、４７Ｂ…保護層、４８、４８Ａ、４８Ｂ…封止部材、４９…受光器、５０…支持片、５１…外層、５２…内層、５３…反射板、５４…外層、５４Ａ…対向面、５４Ｂ…反対面、５５…内層、６０…反射板、６１…外層、６２…内層、６３…反射材、６３Ａ…反射面、８０…反射板、８１…外層、８２…内層、８２Ａ…窪み、８３…対向面、８３Ａ…反射面、８３Ｂ…外周面、８４…反射材、８５…対向面、８５Ａ…反射面、８５Ｂ…環状面、８５Ｃ…外周面、９０…反射板、９１…外層、９２…内層、９３…反射材、９３Ａ…反射面。

Claims

光を発する発光器、及び該発光器に連結され、前記発光器から入射された光を燃焼室に放射する発光側光ファイバを含む発光部と、
前記燃焼室に配設され、前記発光側光ファイバから放射される光を反射する反射板、及びシリンダヘッドに連結され、前記反射板を支持する支持片を含む反射部と、
光を受ける受光器、及び該受光器に連結され、前記反射部によって反射された光が入射する受光側光ファイバを含む受光部と、
前記発光器から発せられた光の強度と前記受光器が受けた光の強度とに基づいて燃焼室における燃料ガスの濃度を検出する検出部とを備えるガス濃度検出装置であって、
前記反射板及び前記支持片は、外層と該外層の内部に設けられた内層とを有し、前記内層は前記外層よりも熱伝導率の高い材料からなり、
前記反射板において前記内層は、前記反射板において前記光が入射される面側に偏った位置に設けられている
ガス濃度検出装置。