JPH0643022A

JPH0643022A - 火炎光検出装置

Info

Publication number: JPH0643022A
Application number: JP22967092A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kuroiwa; 弘黒岩; Takashige Oyama; 宜茂大山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0776708B2

Abstract

(57)【要約】【目的】コンパクト化を可能とする。【構成】ねじケーシング１内に配設され、かつ火炎光
を入射伝播する入力側の光ファイバ２ａとこの光ファイ
バ２ａの出力端に接続された出力側の光ファイバ２ｂと
を備えた光導体を有し、入力側の光ファイバ２ａを石英
系光ファイバ、出力側の光ファイバを多成分系光ファイ
バで形成すると共に、石英系光ファイバ２ａの入力端を
ねじケーシング１端から突出させてなることを特徴とす
る。【効果】入力側光ファイバの入力端をねじケーシング
から火炎の近くに突出させることができ、かつ石英系光
ファイバと多成分系光ファイバとで火炎光が十分入射伝
播され、従来の石英ガラス棒のようにその断面積を大き
くとる必要がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火炎光検出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ、石油ストーブ、火花点火式また
は圧縮着火式内燃機関等の最適燃焼を常に好適に維持す
るには燃焼温度、圧力、空燃比、点火時期、噴射時期等
を最適に制御する必要があるのみならず、内燃機関にお
いてはノックを生じない限界付近で運転することが出
力、経済性の点から有利である。

【０００３】これらの諸パラメータのいずれかを検出し
て閉ループ制御することがこれまでに多数公開されてお
り、特に燃焼火炎光により燃焼の物理的過程を検出する
ための火炎光検出装置が提案されている。例えば特開昭
５７−１０８７３４号公報および特開昭５７−１０８７
３５号公報では、ねじケーシング内の燃焼室側に石英ガ
ラス棒、他方端側に光ファイバを配して火炎光を検出す
るようにしている。

【０００４】また特開昭５７−１６３８４２号公報では
上述の検出装置の石英ガラス棒の軸心部に中心電極を挿
入し、ねじケーシング部を対地電極として点火プラグの
機能をかねた装置が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は火炎光
を十分に光ファイバに導くために、石英ガラス棒の断面
積を大きくとる必要があり、コストが高くなると共に、
装置のコンパクト化が難しい。

【０００６】本発明は以上の点に鑑みなされてものであ
り、コンパクト化を可能とした火炎光検出装置を提供す
ることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ねじケーシ
ング内に配設され、かつ火炎光を入射伝播する入力側の
光ファイバとこの光ファイバの出力端に接続された出力
側の光ファイバとを備えた光導体を有し、入力側の光フ
ァイバを石英系光ファイバ、出力側の光ファイバを多成
分系光ファイバで形成すると共に、石英系光ファイバの
入力端をねじケーシング端から突出させることにより、
達成される。

【０００８】

【作用】上記手段を設けたので、入力側光ファイバの入
力端をねじケーシングから火炎の近くに突出させること
ができ、かつ石英系光ファイバと多成分系光ファイバと
で火炎光が十分入射伝播され、従来の石英ガラス棒のよ
うにその断面積を大きくとる必要がなくなる。

【０００９】

【実施例】次に本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００１０】〔実施例１〕図１から図６には本発明の
一実施例が示されている。このうち図１に示されている
ように燃焼室（図示せず）内の燃焼火炎光を検出する装
置は、ねじケーシング１およびこのねじケーシング１内
に配設され、火炎光を入射・伝播する少なくとも一つの
光導体２を有する火炎光導入部３と、光導体２に接続さ
れ、かつねじケーシング１の外部に配設されたねじケー
シング外光ファイバ４およびこの光ファイバ４に接続さ
れ、入射・伝播した火炎光を光電変換する光電変換部５
を有する火炎光検出部６とを備えている。なお同図にお
いて５ａ，５ｂは光電変換部５を構成するもので５ａは
光電変換素子、５ｂは信号処理回路であり、７は接続コ
ネクタである。このように構成された火炎光検出装置で
本実施例では図２から図４にも示されているように光導
体２を、その外周が金属パイプ８で覆われ、かつコア２
ｃおよびクラッド２ｄが石英の石英系光ファイバ２ａ
と、この石英系光ファイバ２ａの出力端に接続された多
成分系光ファイバ２ｂとで形成すると共に、石英系光フ
ァイバ２ａの入力端をねじケーシング１から燃焼室側へ
突出させた。このようにすることにより光導体２は金属
パイプ８で覆われた石英系光ファイバ２ａと多成分光系
ファイバ２ｂとで形成され、かつ石英系光ファイバ２ａ
の入力端はねじケーシング１から燃焼室側へ突出するよ
うになって、コンパクトで耐熱性，気密性の向上を可能
とした火炎導入部３を有する火炎光検出装置を得ること
ができる。

【００１１】すなわちねじケーシング１は締め付け用の
六角ナット部１ａ，燃焼室への取り付け用ねじ部１ｂ，
ねじケーシング外光ファイバ４を接続する接続コネクタ
用ねじ部１ｃを持って構成してある。このねじケーシン
グ１の内部には、その中心軸上に石英系光ファイバ２ａ
（φ１ｍｍ程度）を配設し、そしてその外周を比較的熱
膨張の小さい金属（例えばＦｅ−Ｎｉ−にＣａを混ぜた
合金）のパイプ８でガードし、さらにその外周をセラミ
ックスのような耐熱性にすぐれた絶縁体９で覆うように
した。この石英系光ファイバ２ａの入力端は燃焼室内に
開口し、他端の出力端は接合用金属体１０を介して多成
分系光ファイバ２ｂと接合した。このようにすることに
より火炎光導入部３をコンパクトで耐熱性，気密性にす
ぐれたものとすることができるが、それを次に述べる。

【００１２】この種火炎光検出装置の火炎光導入部３に
おいて特に留意すべきことは燃焼室内の圧力を漏洩させ
ないこと、すなわち気密性の高いことである。それは火
花点火式機関では燃焼時に１０から２０ｋｇ／ｃｍ²、
圧縮着火式機関では１００から１５０ｋｇ／ｃｍ²程度
の高圧となるからである。また燃焼室内の高温度雰囲気
と外気（低温）との急激な温度勾配雰囲気における熱的
な破壊を防ぐ必要がある。それは燃焼時のガス温度は瞬
間的に２０００から２５００℃程度の高温となるからで
ある。従って燃焼ガスが触れる個所は十分に融点の高い
材料を用いる必要がある。石英ガラスの融点が１７６０
℃、セラミックスの融点が２０００℃程度であるが、従
来の一般的な点火プラグの温度分布は中心電極部で５０
０から７００℃、対地電極部で２５０から３５０℃程度
であるので、その熱容量、放熱性から７００℃以下の温
度条件下となり、石英ガラスおよびセラミックスは十分
に耐えることができる。なお点火プラグに言及したの
は、火炎光検出装置の火炎光導入部３は点火プラグに内
蔵させてエンジンの燃焼室に取り付けるのが、最も製品
となり易くコンパクト化の上からも望ましいことである
からである。

【００１３】まず、気密性の確保について説明する。図
２，図４および図６にも示されているようにねじケーシ
ング１とセラミックスの絶縁体９とは、絶縁体９の外周
の接合部Ａにある種の金属（Ｍｎ−Ｍｏ）を溶着（メタ
ライズ）し、この部分とねじケーシング１の内周面とを
銀ろう付けして接合する。金属パイプ８と絶縁体９と
は、絶縁体９の内周面の接合部Ｂをメタライズし、この
部分と金属パイプ８とを銀ろう付けして接合する。そし
て石英系光ファイバ２ａと金属パイプ８とは直接接合す
ることが困難なので、接合用金属体１０を介して行なっ
た。すなわち接合用金属体１０と金属パイプ８とを図示
の接合部Ｃで銀ろう付けし、接合用金属体１０の他端に
設けた多成分系光ファイバ２ｂと接合用金属体１０とを
図示の接合部Ｄでガラス封止する。そして石英系光ファ
イバ２ａの後端２ｅを金属パイプ８の外径と同程度に大
きくしてＸ方向への抜けを防止するようにした。このよ
うにすることにより燃焼室と大気との間は十分よくしゃ
蔽されるようになって、火炎光導入部３の高気密性を確
保することができる。すなわち石英系光ファイバ２ａと
金属パイプ８との間に流入するガスおよび燃焼圧は接合
部Ｃ，Ｄでしゃ断される。

【００１４】次いで耐熱性の確保であるが、耐熱性につ
いては上述のように耐熱性材料を使用するのみならず、
次に述べるようにして対処した。ねじケーシング１と絶
縁体９との接合部Ａ，絶縁体９と金属パイプ８との接合
部Ｂを同図記載のように局所的に形成し、ケーシング
１，絶縁体９および金属パイプ８間には接合部Ａ，Ｂを
除いて僅かな隙間を設けるようにした。これによってこ
の夫々の部材の軸方向および径方向は共に自由端とな
り、夫々の部材の熱膨張の違いによる伸びを逃がすこと
ができる。

【００１５】コンパクト化については石英系光ファイバ
２ａの入力端を図４にも示されているように燃焼室側へ
突出させ、かつこの石英系光ファイバ２ａと多成分系光
ファイバとで火炎光を十分よく入射・伝播させるように
したので、従来の石英ガラス棒のようにその断面積を大
きくとる必要がなくなり、コンパクト化が可能となっ
た。すなわち石英系光ファイバ２ａはコア２ｃ，クラッ
ド２ｄ共に石英で形成し（但しクラッド２ｄのそれはあ
る種の添加剤を入れてコア２ｃ部の屈折率ｎ₁に対して
クラッド２ｄ部の屈折率ｎ₂がｎ₁＞ｎ₂となるように構
成してある）、その直径比が約９／１０のように構成し
てある。この石英系光ファイバ２ａの燃焼室側の入力端
（開口端）を同図記載のように所定の半径Ｒで広角レン
ズを形成することが、視野を大きくする上では望まし
い。しかし加工性，測定対象等によっては図５にも示さ
れているように種々の形状を任意に選択できるようにし
た。同図の（ａ）は最も加工し易い形状で、金属パイプ
８と石英系光ファイバ２ａとは同一断面で切断してあ
る。従ってその視野は図５に記載のもののうちでは最も
小さいので、局所的な火炎光を導入・伝播するのに適し
ている。同図（ｂ）は石英系光ファイバ２ａを金属パイ
プ８より僅かに突出させ、端面は直角に切断したもので
ある。視野は（ａ）とほぼ同様であるが、この（ｂ）の
突出させた部分のクラッド２ｄを剥離して、同図（ｃ）
のようにクラッド２ｄ部と金属パイプ８部とを同一面に
すれば、視野は（ｂ）のそれに比べて大幅に向上する。
同図（ｄ）は石英系光ファイバ２ａの端面を半球状に、
同図（ｅ）は円すい状に形成したものである。

【００１６】図６には光導体２の集光状態が示されてい
るが、同図にも示されているように多成分系光ファイバ
２ｂにＸ₁からＸ₂の距離間に図中矢印表示の火炎光Ｑを
集光させるレンズ機能を持たせるようにした。このよう
にすることによりＸ₂すなわち多成分系光ファイバ２ｂ
の後端のねじケーシング外光ファイバは、上述の図１に
も示されているように一般の通信用の光ファイバケーブ
ル４ａ（φ５０からφ１２５μｍ）を用いることがで
き、この光ファイバケーブル４ａで強力な火炎光を伝送
し、検出する火炎光検出装置が構成できる。すなわち図
１にも示されているように光ファイバケーブル４ａは燃
焼室周辺の電気的，温度的および機械的な苛酷な環境下
より隔てられた場所で光電変換するが、内燃機関の場合
に代表する１つの気筒あるいは各々の気筒からの燃焼火
炎光が光ファイバケーブル４ａの光ファイバ４ｂ，４
ｃ，４ｄ，４ｅで束状に集められ、この端部に接続され
た光電変換素子５ａ（例えばフォトトランジスタ，フォ
トダイオード，ＰＩＮフォトダイオード）で電気量に変
換される。光電変換素子５ａの出力信号は信号処理回路
５ｂに送られ、所要の信号処理が行なわれ、目的の検出
パラメータを出力する。

【００１７】従ってこのように火炎光検出装置を構成す
ることにより上述のようにコンパクトで耐熱性，気密性
の向上を可能とした火炎光導入部３が得られるのみなら
ず、火花点火式機関で問題となる電磁ノイズ、内燃機関
一般で生ずる機械的振動ノイズ等の影響をなくした火炎
信号が検出できる。

【００１８】〔実施例２〕図７から図９には本発明の
他の実施例が示されている。本実施例では火炎光検出装
置をねじケーシング外光ファイバ４にバンド・ファイバ
４ｆを使用して構成した。このようにすることにより複
数個の光電変換素子５ａ₁，５ａ₂と結合できるようにな
って、前述の場合に比べ複数個の情報を同時に検出する
ことができる。すなわちコア２ｃ′およびクラッド２
ｄ′を有する多成分系光ファイバ２ｂ′を、図中矢印表
示のようにＸ₁に入射した火炎光Ｑの平行光はＸ₂で出射
するときも平行光となるようにし、このような機能を持
たせた多成分系光ファイバ２ｂ´の後端はバンドル・フ
ァイバ４ｆで構成した。バンドル・ファイバ４ｆは外被
１１の内部に多数本の光ファイバ４ｇが束ねられて収納
されている。このバンドル・ファイバ４ｆを火炎光導入
部３に設けた接続コネクタ７ａを介して多成分系光ファ
イバ２ｂ′に接続する。そしてバンドル・ファイバ４ｆ
の束ねられた光ファイバ４ｇを数本ずつよりわけて分岐
部１２を形成し、分岐した光ファイバを検出特性の異な
る複数個の光電変換素子５ａ₁，５ａ₂と結合することに
より、複数個の情報を同時に検出することができる。こ
の場合に火炎光検出部６は前述の場合と同様に燃焼室か
ら離れた位置で光電変換するようにしてある。また前述
の場合と同様に夫々の光電変換素子５ａ₁，５ａ₂に各気
筒の光ファイバケーブルを導いて信号処理することもで
きる。

【００１９】〔実施例３〕図１０および図１１には本
発明の更に他の実施例が示されている。本実施例は火炎
光検出装置の火炎光導入部３ａを点火プラグと一体に構
成した。このようにすることにより火炎光導入部３ａは
点火プラグと一体に形成されるようになって、前述の場
合よりも火炎光導入部３ａの燃焼室への取り付けを容易
にすることができる。この場合の火炎光導入部３ａの基
本的構成は前述のそれとほぼ同様である。すなわち石英
系光ファイバ２ａの出力端には多成分系光ファイバ２ｂ
が接合用金属体１０を介して接合してあり、石英系光フ
ァイバ２ａの入力端は燃焼室側に突出させてある。そし
てこの石英系光ファイバ２ａの外周に設けてある金属パ
イプを中心電極８ａとし、ねじケーシングを対地電極１
３として用いるようにした。従って対地電極１３部と中
心電極８ａ部とを所定のギャップに位置させるため、対
地電極１３先端の電極部Ｐは図示のように中心電極８ａ
側に折り曲げた電極形状にする。そしてねじケーシング
である対地電極１３部，中心電極８ａ部および石英系光
ファイバ２ａは電気絶縁性にすぐれた耐熱性セラミック
スの絶縁体９（点火プラグ碍子と同様な性質が望まし
い）を介して構成し、これら縁体９，対地電極１３，中
心電極８ａおよび石英系光ファイバ２ａ間の接合は前述
の場合と同様にして実施した。すなわち絶縁体９と対地
電極１３とは接合部Ｅでメタライズ後に銀ろう付けで、
中心電極８ａと絶縁体９とは接合部Ｆでメタライズ後に
銀ろう付けで、石英系光ファイバ２ａと中心電極８ａと
は接合用金属体１０の一方端の接合部Ｇで銀ろう付け
し、かつ多成分系光ファイバ２ｂと接合用金属体１０の
他方端とを接合部Ｈでガラス封着することで接合した。
そして多成分系光ファイバ２ｂは耐熱性セラミックスの
補助絶縁体９ａの内部を貫通するようにし、その端部に
は光ファイバの接続用コネクタ７ｂを設けた。この補助
絶縁体９ａと絶縁体９とは接合部Ｉでメタライズ後に銀
ろう付けした。

【００２０】このようにすることにより燃焼室と大気と
の間は前述の場合と同様に十分よくしゃ蔽されるように
なって、火炎光導入部３ａの高気密性が確保できる。ま
た、配電器からの電気信号は絶縁体９の一部に突出させ
て形成した高圧端子１４より板ばね１５を介して接合用
金属体１０に導かれ、さらに中心電極８ａに導かれる。
なお石英系光ファイバ２ａおよび多成分系光ファイバ２
ｂ等の光ファイバは周知のように電気的絶縁性にすぐれ
ているので、このように数十ｋＶの高電圧の導電路と近
接していても何等の電気的影響を受けない。なおまたこ
の火炎光導入部３ａに接続して設ける火炎光検出部は前
述のいずれかに選定すればよい。

【００２１】点火プラグの電極部Ｐとしては同図に記載
してある形状の他に、図１１（ａ），（ｂ)，(ｃ）にも
示されているように各種の形状のものが選択できるよう
にした。同図（ａ）は対地電極１３を中心電極８ａの先
端部まではり出して電極部Ｐを形成し、中心電極８ａと
対地電極１３との間の火花放電により常に石英系光ファ
イバ２ａの入力端に付着した塵埃を焼いて、洗浄効果を
促進するようにしたものである。同図（ｂ）は中心電極
８ａに対して対地電極１３を複数個設置して電極部Ｐを
形成し、火花放電の方向性を回避したものである。同図
（ｃ）は中心電極８ａと対地電極１３との位置関係を考
え、同図（ａ）と（ｂ）との長所をとり入れ、火花放電
による洗浄効果と複数の対地電極１３による方向性の回
避とを同時に図ったものである。これらの電極部Ｐのう
ち同図（ａ)，(ｃ）のようにすることにより、石英系光
ファイバ２ａをエンジン装着作業時に破損する不具合を
なくすことができる。これは同図から明らかなように、
石英系光ファイバ２ａが対地電極１３によって覆われる
ためである。

【００２２】〔実施例４〕図１２は本発明の更に他の
実施例が示されている。本実施例は市販されている一般
の点火プラグに火炎光検出装置の火炎光導入部３ｂを一
体化した。このようにすることにより火炎光導入部３ｂ
は市販の点火プラグと一体に形成されるようになって、
前述の場合よりも火炎光導入部３ｂの燃焼室への取り付
けを容易にすることができる。すなわち火炎光導入部３
ｂを、点火プラグのねじケーシング１６をねじケーシン
グとして構成したが、そのＪ部に挿入した石英系光ファ
イバ２ａの金属パイプ８とねじケーシング１６とは銀ろ
う付け等により接合する。石英系光ファイバ２ａの入力
側は燃焼室側へ突出させ、他方端である出力端Ｋは同図
に示されているように段付き形状として図中Ｘ方向への
抜けを防止するようにした。すなわちこの出力端Ｋは図
中矢印表示のＹ方向に対して直角となるように端面処理
し、ここに第１の多成分光ファイバ２ｂ₁(石英系光ファ
イバでもよい)を挿入・接続する。そしてこの第１の多
成分系光ファイバ２ｂ₁で入射した火炎光を平行光とし
て伝送する。次いでこの第１の多成分系光ファイバ２ｂ
₁に接続した第２の多成分系光ファイバ２ｂ₂は、集光作
用を持ったレンズとして構成し、この出力端部１７では
φ５０からφ２００μｍ程度に集光される。この出力端
部１７にコア径がφ５０からφ２００μｍ程度の通信用
などに使用される通常の光ファイバ１８を接続して火炎
光導入部３ｂを構成した。この光ファイバ１８と接続さ
れるコネクタ１９を有する光ファイバケーブル４ａは、
ゴム等の緩衝材２０を介してねじケーシング１６と接合
するようにした。この場合に石英系光ファイバ２ａと金
属パイプ８との間の隙間からのガス，圧力の漏洩は、第
１の多成分系光ファイバ２ｂ₁とねじケーシング１６と
の接合部Ｌをガラス封着することにより容易に防止で
き、火炎光導入部３ｂの気密性が保持できる。

【００２３】

【発明の効果】上述のように本発明はコンパクトにする
ことができるようになって、コンパクト化を可能とした
火炎光検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の火炎光検出装置の一実施例の装置要部
の縦断側面図である。

【図２】同じく一実施例の火炎光導入部の縦断側面図で
ある。

【図３】図２のＰ₀矢視図である。

【図４】同じく一実施例の火炎光導入部の石英系光ファ
イバ部の拡大縦断側面図である。

【図５】同じく一実施例を示すもので（ａ)，(ｂ)，
(ｃ)，(ｄ)，(ｅ）は、石英系光ファイバ入力端の夫々
異なる形状を示す縦断側面図である。

【図６】同じく一実施例の多成分系光ファイバによる集
光状態を示す説明図である。

【図７】本発明の火炎光検出装置の他の実施例の装置要
部の縦断側面図である。

【図８】同じく他の実施例の多成分系光ファイバによる
集光状態を示す説明図である。

【図９】同じく他の実施例のバンドル・ファイバの断面
図である。

【図１０】本発明の火炎光検出装置の更に他の実施例の
火炎光導入部の縦断側面図である。

【図１１】同じく更に他の実施例を示すもので（ａ)，
(ｂ)，(ｃ）は、中心電極と対地電極との電極部の夫々
異なる構成を示す縦断側面図である。

【図１２】本発明の火炎光検出装置の更に他の実施例の
火炎光導入部の縦断側面図である。

【符号の説明】

１…ねじケーシング、２…光導体、２ａ…石英系光ファ
イバ、２ｂ，２ｂ′…多成分系光ファイバ、２ｂ₁…第
１の多成分系光ファイバ、２ｂ₂…第２の多成分系光フ
ァイバ、２ｃ，２ｃ′…コア、２ｄ，２ｄ′…クラッ
ド、３，３ａ，３ｂ…火炎光導入部、４…ねじケーシン
グ外光ファイバ、４ａ…光ファイバケーブル、４ｂ，４
ｃ，４ｄ，４ｅ…光ファイバ、４ｆ…バンドル・ファイ
バ、４ｇ…光ファイバ、５…光電変換部、５ａ，５
ａ₁，５ａ₂…光電変換素子、５ｂ…信号処理回路、６…
火炎光検出部、７，７ａ，７ｂ…接続コネクタ、８…金
属パイプ、８ａ…中心電極（金属パイプ）、９…絶縁
体、９ａ…補助絶縁体、１０…接合用金属体、１１…外
被、１３…対地電極（ねじケーシング）、１４…高圧端
子、１６…ねじケーシング、１０…光ファイバ、２０…
緩衝材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ねじケーシング内に配設され、かつ火炎
光を入射伝播する入力側の光ファイバとこの光ファイバ
の出力端に接続された出力側の光ファイバとを備えた光
導体を有し、前記入力側の光ファイバを石英系光ファイ
バ、前記出力側の光ファイバを多成分系光ファイバで形
成すると共に、前記石英系光ファイバの入力端を前記ね
じケーシング端から突出させてなることを特徴とする火
炎光検出装置。
【請求項２】前記入力側の光ファイバの入力端面が火
炎光に向けて露出されているものである請求項１記載の
火炎光検出装置。