JP2016138835A

JP2016138835A - 内燃機関の筒内温度測定装置

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Publication number: JP2016138835A
Application number: JP2015014498A
Authority: JP
Inventors: 松岡　勝己; Katsumi Matsuoka; 勝己松岡; 敏邦黒川; Toshikuni Kurokawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-08-04

Abstract

【課題】エンジン２のシリンダ２０内に臨むように光ファイバを挿入し、複数の箇所からそれぞれ放射される赤外線を区別して取り入れ、それら複数の箇所の温度を測定できるようにする。
【解決手段】複数の光ファイバ３０〜３４の一端側を束ねたバンドルファイバ３を、その一端部がシリンダ２０内に臨むようにして保持する一方、他端部にはそれぞれ赤外線検出器４を接続し、検出される赤外線のエネルギに基づいて温度を算出する構成とする。複数の光ファイバのうち、少なくとも２つの光ファイバ（例えば光ファイバ３１〜３４）の一端部（先端部）にそれぞれ、異なる向きから入射する赤外線Ｌを軸線方向に指向させるように傾斜した端面（傾斜面３１ａ〜３４ａ）を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の気筒内の温度を測定するための装置に関し、特に、気筒内に挿入した光ファイバによって、発熱に伴い放射される赤外線を検出器まで伝送するようにしたものに係る。

従来より内燃機関の気筒内の温度を測定するために、点火プラグに光ファイバを内蔵してその先端部を気筒内に臨ませ、入射する赤外線を検出器まで伝送するようにしたものが知られている。例えば特許文献１に記載の光センサ内蔵型スパークプラグは、筒状の中心電極に光ファイバを挿入し、その先端面が中心電極の先端面よりも少し引っ込んだ状態で気筒内の燃焼室に臨むように配設する。

そして、内燃機関の運転に伴う混合気の燃焼によって点火プラグの先端部の温度が上昇すると、ここから放射される赤外線が光ファイバに入射して、検出器まで伝送されるようになっている。こうして伝送される赤外線のエネルギに応じた電気信号が検出器から出力され、この信号を入力したコンピュータ装置において温度が算出される。

特開平０３−１１０７８１号公報

ところで近年、ガソリンエンジンなど火花点火式の内燃機関においては、さらなる燃費率の低減を図るべく、気筒内における混合気の燃焼状態を従来よりも詳しく特定し、燃焼解析に役立てようとする動きがある。例えば、点火プラグの近傍から気筒の周壁部に向かう火炎の伝播状態を解析するために、燃焼中の気筒内の温度分布やその変化を測定したいという要求がある。

この点について、前記従来例のように点火プラグの中心電極に光ファイバを挿入したものでは、中心電極の先端面に対向する外側電極からの赤外線を取り入れることができるだけで、これにより点火プラグの近傍の温度を測定することはできるものの、それ以外の部位、例えば気筒の周壁部などの温度は測定できない。つまり、気筒内の温度分布を測定することはできない。

そこで、本発明の目的は、赤外線を取り入れるために気筒内に臨ませる光ファイバの構造に工夫を凝らして、気筒内の複数の箇所からそれぞれ放射される赤外線を区別して取り入れるようにし、それら複数の箇所の温度を測定できるようにすることにある。

前記の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の筒内温度測定装置は、それぞれ赤外線を伝送可能な複数の光ファイバの一端側を束ねたバンドルファイバと、このバンドルファイバをその一端部が前記気筒内に臨むようにして保持する保持冶具と、前記複数の光ファイバのそれぞれの他端部に接続されて、伝送される赤外線のエネルギを検出する複数の検出器と、これら複数の検出器によってそれぞれ検出される赤外線のエネルギに基づいて温度を算出する演算装置と、を備えている。

そして、前記複数の光ファイバのうち、少なくとも２つの光ファイバの一端部には、それぞれ、異なる向きから入射する赤外線を光ファイバの軸線方向に指向させるように傾斜した端面を設けている。なお、前記の「光ファイバ」というのは、それぞれがコアおよびクラッドを有する１本の光ファイバのみを指すのではなく、複数本の光ファイバを束ねたものも含んでおり、前記バンドルファイバは、複数本の光ファイバ若しくは複数の光ファイバの束の一端側を束ねたものである。

前記構成の筒内温度測定装置によれば、内燃機関の運転中に混合気の燃焼により気筒内の温度が上昇すると、複数の箇所から放射される赤外線がそれぞれ異なる向きからバンドルファイバの一端部に到達する。そして、ここにおいて束ねられている少なくとも２つの光ファイバの一端部に入射した赤外線が、光ファイバの軸線方向に指向されてその他端部にまで伝送される。

つまり、気筒内の複数の箇所からそれぞれ放射される赤外線を区別して複数の光ファイバに取り入れ、その他端部に接続された検出器まで伝送することができる。そして、これら複数の検出器によってそれぞれ検出される赤外線のエネルギに基づいて、演算装置により前記気筒内の複数の箇所の温度をそれぞれ算出することができる。

なお、前記のように異なる向きから入射する赤外線を光ファイバの軸線方向に指向させるためには、光ファイバの軸線に直交する面に対する端面の傾斜角度を小さくして、この端面に入射した赤外線がコアとクラッドとの境界面において臨界角を満たし、全反射されるようにしてもよいが、こうすると、光ファイバの軸線に対してあまり大きな角度で赤外線を入射させることはできない。

そこで、光ファイバの端面の傾斜角度を比較的大きくして、その端部の外周面から入射した赤外線が端面において光ファイバの軸線方向に反射されるようにすればよい。但し、この場合も端面の傾斜角度が小さ過ぎたり、大き過ぎたりすれば、ここで反射された赤外線が外周面から出射してしまうので、傾斜角度は３０〜６０度くらいが好ましい。

本発明に係る内燃機関の筒内温度測定装置は、赤外線を検出器まで伝送するための複数の光ファイバを束ねてバンドルファイバを構成し、その一端部を気筒内に臨ませるとともに、そのうちの少なくとも２つの光ファイバの一端部に異なる向きから入射する赤外線を当該光ファイバの軸線方向に指向させるようにしている。これにより、気筒内の複数の箇所からそれぞれ放射される赤外線を区別して複数の光ファイバに取り入れ、その赤外線のエネルギに基づいて前記気筒内の複数の箇所の温度を算出することができる。

実施形態に係る筒内温度測定装置の概略的な構成図である。バンドルファイバを拡大して示す部分断面図である。バンドルファイバの先端部を拡大して示す斜視図である。火炎面がシリンダ周壁部に到達した状態の図１相当図である。筒内温度測定の具体的な手順を示すフローチャート図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。一例を図１に示すように本実施形態に係る筒内温度測定装置１は、例えば図１に示す往復動式のエンジン２（内燃機関）のシリンダ２０（気筒）内の温度を測定するために用いられる。なお、本実施形態では、火花点火式のエンジン２のシリンダ２０内における混合気の燃焼状態を解析するために、本発明の測定装置を用いる場合について説明する。

−エンジンの概要−
本実施形態において筒内温度の測定を行う実験用のエンジン２は、例えば直列４気筒エンジンであって、図１には１つのシリンダ２０のみを示すが、シリンダブロック２ａには、一列に並んで４つのシリンダ２０が設けられている。そして、図１に表れているようにそれぞれのシリンダ２０に、往復動するようにピストン２１が収容されていて、その上方を閉ざすシリンダヘッド２ｂとの間に燃焼室が区画されている。

この燃焼室の天井部（シリンダヘッド２ｂの下面）には吸気ポート２２および排気ポート２３がそれぞれ開口して、新気の吸入および既燃ガスの排出を行うようになっている。すなわち、吸気ポート２２の上流端は、図示しない吸気マニホルド内の通路に連通しており、図外のエアクリーナを通過した空気（吸気）が吸気ポート２２へ流入する。また、吸気マニホルドにはインジェクタが配設されて、吸気ポート２２に向かって燃料を噴射するようになっている。

こうして吸気ポート２２に向かって噴射された燃料は空気と混合され、図示しないカムにより吸気バルブ２４が開動作されると、吸気ポート２２からシリンダ２０内の燃焼室に吸入されて混合気を形成する。この混合気が点火プラグ２５により点火されて、図１に模式的に示すように初期火炎Ｆが形成された後に、火炎はシリンダ２０の周壁部に向かって燃え広がってゆく（図４を参照）。これにより発生する既燃ガスは、図には示さないが、排気バルブ２６の開動作に伴い排気ポート２３に流出する。

そうして混合気が燃焼することによって、シリンダ２０内の複数の箇所で温度が上昇し、赤外線が放射されるようになる。本実施形態では、その赤外線のエネルギに基づいてシリンダ２０内の温度を測定するために、以下に説明するように複数の光ファイバ３０〜３４を束ねたバンドルファイバ３をシリンダ２０内に挿入し、その先端部（一端部）に入射する赤外線を赤外線検出器４まで伝送するようにしている。

−測定装置の構成−
すなわち、図２に拡大して示すようにバンドルファイバ３は、例えば石英ガラスやサファイアガラスなどを材料とする複数の光ファイバ３０〜３４（図３も参照）の一端側を互いに並行して延びるように束ねたものである。これらの光ファイバ３０〜３４は、例えばセラミック系の接着剤により互いに固着されて、筒状の保持冶具３５の内部に挿入されている。また、光ファイバ３０〜３４の周りを被覆するように接着剤層３６が形成されて、燃焼ガスの吹き抜けを阻止するシール材として機能するようになっている。

図１に示すようにエンジン２のシリンダヘッド２ｂには、前記バンドルファイバ３の装着孔２７が設けられており、その内周面には雌ねじ（図示せず）が形成されている。一方、バンドルファイバ３の保持冶具３５の外周には雄ねじ３５ａ（図２にのみ示す）が形成されており、この保持冶具３５を装着孔２７に挿入して、バンドルファイバ３をシリンダヘッド２ｂに対し固定し、その先端部をシリンダ２０内に臨ませることができる。

こうしてシリンダ２０内の燃焼室に臨むバンドルファイバ３の先端部は、詳しくは後述するが、シリンダ２０内の複数の箇所（例えば点火プラグ２５の近傍やシリンダ２０の周壁部など）からそれぞれ放射される赤外線を区別して、それぞれ光ファイバ３０〜３４に取り入れるようになっている。こうして先端部に取り入れられた赤外線は、光ファイバ３０の他端部に伝送される。

そして、それら光ファイバ３０〜３４の他端部にはそれぞれ、伝送される赤外線のエネルギを検出する複数の赤外線検出器４が接続されている。これらの赤外線検出器４は、例えば量子型や熱型の受光素子からなり、それぞれハーネスによってコンピュータ装置５（演算装置）に接続されている。これにより、光ファイバ３０〜３４によって伝送される赤外線のエネルギに対応する電気信号が赤外線検出器４から出力されて、コンピュータ装置５に入力される。

コンピュータ装置５は、ＣＰＵやメモリなどを備えており、例えば汎用のパソコンやワークステーションの他に、専用設計された信号処理回路を搭載するものであってもよい。コンピュータ装置５のメモリは、ＤＲＡＭやフラッシュメモリ等の半導体素子、あるいはハードディスク等であって、各種の設定を記憶する他、前記のように赤外線検出器４から入力した電気信号（赤外線のエネルギ）のデータを記憶する。

また、コンピュータ装置５には前記の赤外線検出器４の他に、ユーザが各種の操作を行うためのマウスおよびキーボード、或いはタッチパネルなどの入力デバイス５１と、ユーザに設定や操作の内容および画像データなどを表示するためのモニター５２（液晶ディスプレイやＣＲＴ等）とが接続されている。なお、モニター５２としてタッチパネルを採用すれば、これを入力デバイス５１と兼用することもできる。

そして、コンピュータ装置５は、前記の入力デバイス５１によるユーザの操作に応じて、所定の制御プログラムを実行することにより、前記の如く複数の赤外線検出器４からの電気信号を入力し、この電気信号、即ち複数の赤外線検出器４によってそれぞれ検出される赤外線のエネルギに基づいて、筒内温度を算出するようになっている。

−バンドルファイバの先端部の構造−
本実施形態の特徴は、上述したバンドルファイバ３の先端部において、異なる向きから入射する赤外線を区別して、複数の光ファイバ３０〜３４に取り入れるように構成したことにある。詳しくは図３に拡大して示すように、一例としてバンドルファイバ３は５本の光ファイバ３０〜３４の一端側を束ねたもので、その中心線Ｘに沿って延びる１本の光ファイバ３０と、この中央の光ファイバ３０の周囲を囲む４本の光ファイバ３１〜３４とを備えている。

そして、中央の１本の光ファイバ３０の先端面３０ａ（一端面）がその軸線（図ではバンドルファイバ３の中心線Ｘ）に略直交する平坦面とされているのに対し、その周囲の４本の光ファイバ３１〜３４の先端面は、それぞれ、バンドルファイバ３の中心線Ｘから外周側に離れるに連れて徐々に先方に延びるように傾斜した平坦面（以下、傾斜面３１ａ〜３４ａ）とされている。

このため、周囲の４本の光ファイバ３１〜３４の先端部に、それぞれバンドルファイバ３の外周側から入射する赤外線は、図３において矢印Ｌとして示すように、光ファイバ３１〜３４にそれぞれの外周面から入射し、先端の傾斜面３１ａ〜３４ａにおいて反射されて、軸線方向に指向されるようになる。つまり、周囲の４本の光ファイバ３１〜３４の先端部にはそれぞれ、異なる向きから入射する赤外線を軸線方向に指向させるように傾斜した端面（傾斜面３１ａ〜３４ａ）が設けられている。

なお、傾斜面３１ａ〜３４ａの傾斜角度（光ファイバ３１〜３４の軸線に直交する面に対する傾斜角度）が小さいと、光ファイバ３１〜３４の外周面から入射した赤外線が反射されて、入射した外周面から出射してしまう一方、傾斜角度があまり大きいと、反射した赤外線は、入射したのと反対側の外周面から出射してしまうので、傾斜角度は一例として３０〜６０度くらいに設定するのが好ましい。

このように構成されたバンドルファイバ３の先端部は、図１を参照して上述したようにシリンダヘッド２ｂの装着孔２７に挿入されて、シリンダ２０内の燃焼室にその天井面の外周縁から臨んでいる。そして、中央の光ファイバ３０は、その先端面３０ａがシリンダ２０の概ね中心を向くように配置されており、例えばピストン３１の頂面から放射される赤外線を入射するようになっている。

また、周囲の４本の光ファイバ３１〜３４のいずれか１本、例えば図２、３において上側に位置する光ファイバ３１は、その先端部に点火プラグ２５の近傍から放射される赤外線が入射するように配置されている。さらに、残りの３本の光ファイバ３２〜３４は、その先端部に、バンドルファイバ３の配置されている吸気側のシリンダ周壁部から放射される赤外線が入射するように配置されている。

これにより本実施形態では、エンジン２の運転中に混合気の燃焼によってシリンダ２０内の温度が上昇すると、例えばピストン３１の頂面、点火プラグ２５の近傍および吸気側のシリンダ周壁部からそれぞれ放射される赤外線が、別々に光ファイバ３０〜３４に取り入れられる。そして、赤外線検出器４によって検出される赤外線のエネルギに基づいて、前記ピストン３１の頂面、点火プラグ２５の近傍およびシリンダ周壁部の温度がそれぞれ算出される。

こうしてシリンダ２０内の複数の箇所の温度を測定することができれば、混合気の燃焼状態を詳しく特定して、精度の高い燃焼解析を行うことが可能になる。すなわち、例えば、図１を参照して上述したように、シリンダ２０内の混合気に点火プラグ２５によって点火され、その近傍に初期火炎Ｆが形成されたときには、点火プラグ２５の近傍の温度が上昇し、赤外線が放射される。

そして、火炎がシリンダ２０の外周側に向かって燃え広がってゆき、図４に示すように火炎面Ｓがシリンダ周壁部にまで到達すれば、その温度上昇によって赤外線が放射される。こうして、点火プラグ２５の近傍の温度が所定以上に上昇してから、シリンダ周壁部の温度が所定以上に上昇するまでの時間を算出すれば、点火プラグ２５の近傍から燃え広がる混合気の燃焼期間を算出することができる。

−筒内温度測定の手順−
次に、上述した筒内温度測定装置１によってエンジン２のシリンダ２０内の複数の箇所の温度を測定する手順を、図５のフローチャートに沿って説明する。

まず、前記のように実験用のエンジン２のシリンダヘッド２ｂにバンドルファイバ３を装着する（ステップＳＴ１）。そして、エンジン２を始動して所定の運転状態に維持しながら（ステップＳＴ２）、入力デバイス５１を操作してコンピュータ装置５により赤外線検出器４からの信号を入力する（ステップＳＴ３）。すなわち、エンジン２の運転中は混合気の燃焼によって温度の上昇するシリンダ２０内の複数の箇所から赤外線が放射され、それぞれ異なる向きからバンドルファイバ３の先端部に到達する。

前記したようにバンドルファイバ３において束ねられている複数の光ファイバ３０〜３４の先端部は、例えばピストン３１の頂面、点火プラグ２５の近傍および吸気側のシリンダ周壁部からそれぞれ放射される赤外線を入射するようになっている。そうして異なる向きから複数の光ファイバ３０〜３４の先端部に入射した赤外線がそれぞれ赤外線検出器４に伝送され、この赤外線のエネルギに応じた電気信号が赤外線検出器４から出力されて、コンピュータ装置５に入力される。

そうして赤外線検出器４からの電気信号を入力したコンピュータ装置５においては、予め記憶されている電気信号と温度との相関関係（例えば演算式や較正曲線、マップなど）に基づいて温度を算出し（ステップＳＴ４）、その結果をモニター５２に表示するとともに、半導体メモリやＨＤＤなどの記憶装置に記憶して（ステップＳＴ５）、測定を終了する。

以上、説明したように本実施形態に係る内燃機関の筒内温度測定装置１は、複数の光ファイバ３０〜３４を束ねてバンドルファイバ３を構成し、その先端部をエンジン２のシリンダ２０内に臨ませている。そして、混合気の燃焼による温度上昇に伴いシリンダ２０内の複数の箇所から放射される赤外線をそれぞれ複数の光ファイバ３０〜３４に取り入れ、赤外線検出器４まで伝送する。そして、この赤外線検出器４によって検出される赤外線のエネルギに基づいて、前記複数の箇所の温度を算出することができる。

すなわち、前記バンドルファイバ３の先端部において中央の光ファイバ３０を取り囲む４本の光ファイバ３１〜３４の先端面には、それぞれ傾斜面３１ａ〜３４ａを設けて、異なる向きから入射する赤外線を取り入れるようにしている。これにより、シリンダ２０内の複数の箇所からの赤外線を区別して複数の光ファイバ３０〜３４に取り入れることができ、その複数の箇所の温度をそれぞれ算出することができる。

例えば、点火プラグ２５の近傍およびシリンダ周壁部の温度をそれぞれ算出し、その変化に基づいて、シリンダ２０内において点火プラグ２５によって点火された混合気の燃焼期間を算出することができる。つまり、シリンダ２０内の混合気の燃焼状態を詳しく特定して、精度の高い燃焼解析を行うことが可能になる。

−他の実施形態−
上述した実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定するものではない。例えば実施形態におけるバンドルファイバ３は、一例として５本の光ファイバ３０〜３５を束ねているが、こうして束ねる光ファイバの数は２本以上であればよく、図示はしないが、例えば中央の光ファイバ３０の周りを６本の光ファイバで囲むようにしてもよい。

また、前記実施形態のように中央の１本の光ファイバ３０の周りを複数本の光ファイバ３１〜３４で囲む必要もなく、例えば中央の光ファイバ３０を設けずに、３本または４本の光ファイバを束ねるようにしてもよい。中央の光ファイバ３０の端面をその軸線に対し直交させる必要もなく、この端面も傾斜面としてもよい。さらに、そうして光ファイバの端面に設ける傾斜面（前記の実施形態では傾斜面３１ａ〜３４ａ）に反射層を設けてもよい。

或いは、前記実施形態のように光ファイバ３１〜３４の一端部にその外周面から入射した赤外線を、先端の傾斜面３１ａ〜３４ａにおいて反射させて軸線方向に指向させる必要もない。例えば、光ファイバの端面の傾斜角度を小さくして、この端面に入射した赤外線がコアとクラッドとの境界面において臨界角を満たし、全反射されるようにしてもよい。

なお、前記実施形態では、本発明に係る筒内温度測定装置１を火花点火式エンジン２の筒内温度の測定に用いる場合について説明したが、これにも限定されず、本発明に係る筒内温度測定装置１は、ディーゼルエンジンの筒内温度の測定にも用いることができることは言うまでもない。

本発明は、エンジンのシリンダ内に臨むようにバンドルファイバを装着するだけで、シリンダ内の複数の箇所の温度を測定することができるようになり、精度の高い燃焼解析を行えるようになるので、例えば自動車用エンジンの燃費率の改善などに有用である。

１筒内温度測定装置
２エンジン（内燃機関）
２０シリンダ（気筒）
３バンドルファイバ
３０〜３４複数の光ファイバ
３１ａ〜３４ａ傾斜面（傾斜する端面）
３５保持冶具
４赤外線検出器（検出器）
５コンピュータ装置（演算装置）
Ｌ光ファイバの一端部に入射する赤外線

Claims

内燃機関の気筒内の温度を測定するための筒内温度測定装置であって、
それぞれ赤外線を伝送可能な複数の光ファイバの一端側を束ねたバンドルファイバと、
前記バンドルファイバをその一端部が前記気筒内に臨むようにして保持する保持冶具と、
前記複数の光ファイバのそれぞれの他端部に接続されて、伝送される赤外線のエネルギを検出する複数の検出器と、
前記複数の検出器によってそれぞれ検出される赤外線のエネルギに基づいて、温度を算出する演算装置と、を備えており、
前記複数の光ファイバのうち、少なくとも２つの光ファイバの一端部には、それぞれ、異なる向きから入射する赤外線を光ファイバの軸線方向に指向させるように傾斜した端面が設けられていることを特徴とする内燃機関の筒内温度測定装置。