特許第6687398号(P6687398)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6687398
(24)【登録日】2020年4月6日
(45)【発行日】2020年4月22日
(54)【発明の名称】ガス濃度検出装置
(51)【国際特許分類】
   G01N 21/61 20060101AFI20200413BHJP
【FI】
   G01N21/61
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2016-11613(P2016-11613)
(22)【出願日】2016年1月25日
(65)【公開番号】特開2017-133856(P2017-133856A)
(43)【公開日】2017年8月3日
【審査請求日】2018年11月7日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社SOKEN
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】青地 高伸
(72)【発明者】
【氏名】森田 俊樹
【審査官】 越柴 洋哉
(56)【参考文献】
【文献】 特開2004−184175(JP,A)
【文献】 実開昭56−170896(JP,U)
【文献】 特開平02−256187(JP,A)
【文献】 特開平11−051866(JP,A)
【文献】 米国特許第05675209(US,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01N 21/17−21/61
H01T 7/00−23/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005‐233694号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】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。
図2】ガス濃度検出装置及び点火プラグの断面図。
図3図2の3−3線に沿った断面の一部を示す図。
図4】ガス濃度検出装置の先端部を拡大して示す断面図。
図5】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。
図6】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。
図7】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。
図8】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。
図9】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。
図10】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。
【発明を実施するための形態】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
(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。
【0018】
(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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
・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)。
【0025】
・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。
【0026】
・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。
【0027】
・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。
【0028】
・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。
【符号の説明】
【0029】
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。
図1
図2
図3
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図5
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図8
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図10