ガス濃度検出装置
【課題】１台で燃料ガスと残留ガスの異なる２種類のガスの濃度を検出可能としたガス濃度検出装置を提供する。
【解決手段】少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で受光した光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、受光部は、燃焼室内の第１のガスと第２のガスにそれぞれ吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出し、ガス濃度検出部において、それぞれの光の強度から透過率を求めて第１のガスの濃度と、第２のガスの濃度とを検出する。
【解決手段】少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で受光した光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、受光部は、燃焼室内の第１のガスと第２のガスにそれぞれ吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出し、ガス濃度検出部において、それぞれの光の強度から透過率を求めて第１のガスの濃度と、第２のガスの濃度とを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、特に、燃焼室内の燃料ガスと残留ガスの少なくとも２種類のガスの濃度を検出可能としたガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関においては、燃焼室内で燃料ガスが適正に燃焼しているかを確認するために、燃焼状態を確認するための様々な手法が提案されている。このような、燃焼室内の燃焼状態の確認方法の一つとして、ガス濃度検出装置を用い、燃焼室に送給された燃料ガスの濃度が所望の濃度となっているかを検出することが行われている。
【０００３】
ガス濃度検出装置では、所定波長の赤外光が、燃料ガス中のガソリンなどの炭化水素系燃料に、濃度にほぼ比例して吸収されることを利用しており、燃焼室内において所定波長の赤外光を通過させ、この所定波長の赤外光の燃料ガスによる吸収度合いを赤外光の透過率から検出し、燃料ガスの濃度を検出しているものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
一方、昨今では、低公害及び低燃費を目指した予混合圧縮着火方式の内燃機関が提案されており、この内燃機関では、燃焼した燃料ガスの一部を燃焼室内に残留ガスとして残留させ、この残留ガスの熱を利用して燃焼室に送給された燃料ガスを加熱し、より高温の状態で燃料ガスを燃焼させることが行われている。
【０００５】
このような予混合圧縮着火方式の内燃機関では、燃焼室に残留させる残留ガスの量の制御が重要であり、燃焼室内に残留した残留ガスの濃度を検出することが求められていた。
【０００６】
ここで、残留ガスは二酸化炭素及び水蒸気を主成分とするガスであり、二酸化炭素も赤外光を吸収する特性を有していることから、燃料ガスの場合と同様に、赤外光の吸収度合いから残留ガスの濃度を検出することが可能であって、燃料ガス用のガス濃度検出装置と同様のガス濃度検出装置による残留ガス用のガス濃度検出装置が提案されていた。
【特許文献１】特開２００５−２３３６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ガソリンなどの炭化水素系燃料と二酸化炭素では、それぞれで吸収される赤外光の波長が異なるため、１台のガス濃度検出装置で燃料ガスの濃度と、残留ガスの濃度の両方を検出することはできず、燃料ガスの濃度と残留ガスの濃度の両方を検出したい場合には、１つの燃焼室に２台のガス濃度検出装置を装着しなければならなかった。
【０００８】
したがって、燃焼室には、２台のガス濃度検出装置が設けられることにより容積が小さくなり、しかもガス濃度検出装置によって燃料ガスあるいは残留ガスの流れが阻害されやすくなることにより、燃焼室内での燃焼に対するガス濃度検出装置の影響が無視できなくなるおそれがあった。
【０００９】
本発明者らは、このような現状に鑑み、１台のガス濃度検出装置で燃料ガスと残留ガスの異なる２種類のガスの濃度を検出可能とすべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス濃度検出装置では、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で受光した光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、受光部は、第２光ファイバを介して導かれた光を、燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出して受光量信号として出力し、ガス濃度検出部では、受光量信号を解析して得られたそれぞれの透過率に基づいて第１のガスの濃度と、第２のガスの濃度とを検出することとした。
【００１１】
さらに、本発明のガス濃度検出装置では、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）第１光ファイバに入射される光を、光学式チョッパで断続的に遮断された断続光としたこと。
（２）第１光ファイバの端部と第２光ファイバの端部を固定支持するスリーブと、第１光ファイバの端部及び第２光ファイバの端部に近接させてスリーブに設けた透光体と、この透光体越しに第１光ファイバから照射された光を反射して第２光ファイバに入射させる反射体とで導光体を構成し、第１光ファイバから照射された光を、透光体と反射体との間において燃焼室内を通過させるとともに、透光体の反射体側を凸面形状として、燃焼室内を通過する光を平行光としたこと。
（３）燃焼室内の圧力を検出する圧力センサから入力された圧力データに基づいて、第１のガスの濃度と第２のガスの濃度を補正する補正手段をガス濃度検出部に設けたこと。
（４）導光体を内燃機関に装着する点火プラグに装着したこと。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源を用いることにより、この光源から照射された光は、第１のガスである燃料ガスによって吸収される波長の光と、第２のガスである残留ガスによって吸収される波長の光とを有するので、燃焼室内を通過してガスによる吸収が生じた光を燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの光の透過率を検出することによって、１つのガス濃度検出装置で燃料ガスの濃度と残留ガスの２種類のガスの濃度とを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のガス濃度検出装置は、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で検出された光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部を備えているものである。
【００１４】
従来、燃焼室内に送給される燃料ガスは、波長約3.38μｍの光を吸収することが知られており、このことを利用したガス濃度検出装置が既に提案されている。一方、残留ガスの主成分である二酸化炭素は、波長4.30μｍ、2.70μｍ、2.00μｍの光をそれぞれ吸収することが知られており、波長4.30μｍの光の吸収を検出するための光源、すなわち、波長4.30μｍにおいて効果的に光の吸収を検出できる十分な強度を有する光を照射可能な光源を用いれば、波長3.38μｍの光においても光の吸収の検出に十分な強度を有しているため、波長3.38μｍの吸収を検出するための光源としても利用可能である。
【００１５】
そこで、本発明のガス濃度検出装置では、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源を用いることにより、１つの光源で波長3.38μｍの光の吸収と、波長4.30μｍの光の吸収を検出しているものである。特に、二酸化炭素による光の吸収を波長2.70μｍの光を用いて検出する場合には、波長2.70μｍの光が二酸化炭素だけでなく、水蒸気（H2O）にも吸収されるため、二酸化炭素のみによる光の吸収の検出が困難であり、また、二酸化炭素による光の吸収を波長2.00μｍの光を用いて検出する場合には、波長2.00μｍの光を光の吸収を効果的に検出できる十分な強度で照射可能な光源で、波長3.38μｍの光を光の吸収を効果的に検出できる十分な強度で照射することが困難となることからも、二酸化炭素による光の吸収を検出するには、波長4.30μｍの光を用いることが望ましい。
【００１６】
受光部は、燃焼室内を通過して導光体から出射されて第２光ファイバを介して導かれた光を、燃焼室内の第１のガスである燃料ガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスである残留ガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの光の強度を検出し、ガス濃度検出部では、受光部で検出された光の強度に基づいて受光部から出力された受光量信号を解析してそれぞれの光の透過率を検出し、検出された透過率に基づいてそれぞれのガスの濃度を検出している。
【００１７】
このように、本発明のガス濃度検出装置では、１つの光源から照射された赤外光から燃料ガスと残留ガスの２種類のガスの濃度を検出できるので、燃焼室へのガス濃度検出装置の配設を容易とすることができ、燃焼室内での燃焼状態にできるだけ影響を与えることなく燃料ガスと残留ガスの濃度をそれぞれ検出できる。
【００１８】
図１は、本実施形態のガス濃度検出装置の概略説明図である。すなわち、本実施形態のガス濃度検出装置は、赤外光を照射する光源10と、この光源10から照射された光を導く第１光ファイバ11と、この第１光ファイバ11で導かれた光を内燃機関20の燃焼室21内に導くととともに、燃焼室21内を通過させて燃焼室21から出射させる導光体13と、導光体13から出射された光を導く第２光ファイバ12と、この第２光ファイバ12を介して導かれた光を受光する受光部14と、この受光部14で検出された光の強度に基づいて得られた透過率から燃焼室21内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部15を備えている。
【００１９】
なお、少なくとも光源10及び受光部14は、図示しない防振台上に設けており、内燃機関20の駆動に伴う振動などの影響を受けにくくしている。
【００２０】
光源10は、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの赤外光を照射可能としており、赤外ランプや、He−Neレーザ、気体レーザ（例えばCO2レーザなど）、半導体レーザ（例えばPbSnTeなど）、ＹＡＧレーザ、量子カスケードレーザなどの赤外線レーザ装置を用いることができる。本実施形態では、光源10は赤外ランプとしている。あるいは、例えばHe−Neレーザと量子カスケードレーザとを用いて、それぞれのレーザの出力を１つに重ね合わせて第１光ファイバ11に向けて照射可能としてもよい。
【００２１】
本実施形態のガス濃度検出装置では、後述するように、波長3.38μｍの赤外光と、波長4.30μｍの赤外光の透過率を用いて燃料ガスの濃度と残留ガスの濃度を検出するため、波長3.38〜4.30μｍの帯域で、できるだけ高強度の赤外線を照射可能な光源10を用いることが望ましい。
【００２２】
光源10は、第１光ファイバ11の端部に設けた入射用コリメータ11cに向けて赤外光を照射し、第１光ファイバ11に赤外光を入射させている。
【００２３】
光源10と入射用コリメータ11cとの間には光学式チョッパ16を設け、光源10から照射された赤外光を断続的に遮断して、断続光を第１光ファイバ11に入射して導光体13に導いている。
【００２４】
第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12は、図２に示すように、中空ファイバとしており、中空ファイバの中空部は、直径700μｍ程度としている。第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12には、このような中空ファイバを用いることにより、一般的なフッ化物ファイバなどを用いた場合よりも、波長3.38〜4.30μｍの赤外光を低損失で伝播させて高出力とすることができ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。なお、本実施形態では、中空ファイバは、内側から環状オレフィンポリマを用いた透明誘電体層L1、銀を用いた金属層L2、石英ガラス層L3、ポリイミド保護層L4を順次積層させて形成している。
【００２５】
また、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12には、サファイアファイバを用いることもできる。特に、サファイアファイバは高温耐性を有しているため、高温となる内燃機関20の周囲に配設した場合でも、赤外光を低損失で伝播させることができる。
【００２６】
導光体13は、図３に示すように、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12が装着される筒状のスリーブ13aと、このスリーブ13aの先端に装着した反射板支持体13bとで構成し、反射板支持体13b部分を燃焼室21内に配置するとともに、第１光ファイバ11によって導かれた赤外光を反射板支持体13bに向けて照射することにより、赤外光を燃焼室21内に導いて、燃焼室21内を通過させている。
【００２７】
燃焼室21内に導かれた赤外光は、反射板支持体13bに設けた金属製の反射体13cに反射させており、特に、第２光ファイバ12に向けて反射させ、燃焼室21から出射させている。導光体13によって燃焼室21から出射させた赤外光は、導光体13に装着した第２光ファイバ12に入射させている。
【００２８】
スリーブ13aには、先端部にサファイアガラス製の透光体13dを装着しており、この透光体13dで筒状となっているスリーブ13aの先端を閉塞している。
【００２９】
さらに、スリーブ13aには、第１光ファイバ11と第２光ファイバ12をそれぞれ挿入可能とした第１挿通孔13a-1と第２挿通孔13a-2を設けており、これらの第１挿通孔13a-1と第２挿通孔13a-2に、第１光ファイバ11と第２光ファイバ12をそれぞれ挿入することによって、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12の端部をスリーブ13aで固定支持している。図３中、13a-3はスリーブ13aの外周面に設けたフランジであって、このフランジ13a-3を介して導光体13を所定位置に固定的に装着可能としている。
【００３０】
スリーブ13aで固定支持された第１光ファイバ11と第２光ファイバ12は、端部を透光体13dに近接させており、特に、透光体13dに当接させることによって、各ファイバ11,12
の端部と透光体13dとの間で赤外光の損失が生じることを抑制している。
【００３１】
反射板支持体13bは、スリーブ13aの先端に螺着可能とした雌ネジ状の螺着部13b-1と、反射体13cが装着される支持台13b-2と、この支持台13b-2と螺着部13b-1とを連結する複数のロッド状の連結アーム13b-3とで構成し、支持台13b-2に反射体13cを装着している。なお、反射板支持体13bは、螺着部13b-1を介して必ずしもスリーブ13aに着脱自在としている必要はなく、スリーブ13aの先端に連結アーム13b-3を直接設けて支持台13b-2を支持し、反射体13cを装着可能としてもよい。
【００３２】
スリーブ13aの先端に装着した透光体13dは、反射体13c側を所定の曲率を有する凸面形状として、透光体13d越しに第１光ファイバ11から燃焼室21内に向けて照射した赤外光を平行光としている。
【００３３】
このように透光体13dで平行光とした赤外光を燃焼室21内に入射させ、透光体13dと反射体13cとの間において燃焼室21内を通過させることにより、反射体13cを赤外光のスポットサイズに合わせて小さくすることができる。したがって、燃焼室21に占める反射板支持体13bの領域をできるだけ小さくして、反射板支持体13bが燃焼の妨げとなることを防止できるとともに、燃焼室21内を通過する赤外光のガスによる吸収を安定化させることができるので、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。なお、透光体13dによって平行光とされた赤外光は、必ずしも完全な平行光である必要はなく、第１光ファイバ11から出射された赤外光の拡散を抑制できていればよい。
【００３４】
透光体13dと反射体13cとの間の間隔はできるだけ大きくすることにより、透光体13dと反射体13cとの間に存在するガスによって所定波長の赤外光をより多く吸収させて、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。ただし、透光体13dと反射体13cとの間の間隔寸法は、導光体13が、燃焼室21内のバルブやピストンの動作の障害とならない程度としている。
【００３５】
受光部14は、図１に示すように、第２光ファイバ12を介して導光体13から導かれた赤外光を波長3.38μｍの光を含む第１の赤外光と、波長4.30μｍの光を含む第２の赤外光とに分けるダイクロイックフィルタ14aと、このダイクロイックフィルタ14aで分けられた第１の赤外光のうちの波長3.38μｍの赤外光を通過させる第１バンドパスフィルタ14b-1と、この第１バンドパスフィルタ14b-1を通過した第１の赤外光を受光する第１赤外受光器14c-1と、ダイクロイックフィルタ14aで分けられた第２の赤外光のうちの波長4.30μｍの赤外光を通過させる第２バンドパスフィルタ14b-2と、この第２バンドパスフィルタ14b-2を通過した第２の赤外光を受光する第２赤外受光器14c-2を備えている。図１中、12cは第２光ファイバ12の受光部14側の端部に設けた出射用コリメータである。
【００３６】
第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2は、それぞれが受光した赤外光の強度に基づいて、強度に応じた信号を受光量信号としてそれぞれ出力している。本実施形態では、第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2は、ＭＣＴ受光器としている。
【００３７】
ガス濃度検出部15は、第１赤外受光器14c-1から入力された受光量信号と、第２赤外受光器14c-2から入力された受光量信号を、第１光ファイバ11を介して導光体13に入射させている赤外光の強度でそれぞれ正規化することにより透過率の変動データを生成し、この透過率の変動データを解析することにより、第１のガスである燃料ガスの濃度、及び第２のガスである残留ガスの濃度を検出している。
【００３８】
ガス濃度検出部15における透過率の変動データの解析は、以下のようにしている。
【００３９】
まず、第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2から出力される受光量信号は、第１光ファイバ11を介して導光体13に入射させる赤外光を光学式チョッパ16によって断続的に遮断して断続光として、所定の間隔で受光量が零となった略矩形状の矩形波信号としている。このように、導光体13に導く光を断続光としておくことにより、赤外光が遮断されている部分を第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2における受光量の変動の検出における基準とすることができ、受光量をより正確に検出できるので、ガスの濃度の検出精度を向上させることができる。
【００４０】
ここで、内燃機関20の燃焼室21に二酸化炭素（残留ガス）が存在しない状態で燃料ガスを燃焼させた場合には、第２赤外受光器14c-2から出力された受光量信号に基づく透過率の変動データとして、図４の太線で示す透過率の変動データが得られる。なお、燃料ガスには純ｎ−ブタンを用い、内燃機関20はボア×ストロークを78.0mm×85.0mm、圧縮比を9.02、燃焼室形状をパンケーキ型とした圧縮膨脹機関として、回転速度を600rpmとして燃料ガスを燃焼させている。図４の横軸は、圧縮膨脹機関のクランク角度である。図４中の細線は、圧縮膨脹機関のシリンダヘッドに設けた圧電式圧力変換素子で検出した燃焼室内の圧力を示している。
【００４１】
この場合、燃焼室21内で燃焼が始まると、燃料ガスの温度が上昇して熱放射が生じるために、この熱放射の影響によって透過率の変動データのベースラインが変化し、正しい透過率を示せなくなっているが、燃焼が始まるまでは、透過率の変動データが一定の矩形形状の繰り返しとなっていることが分かる。
【００４２】
また、ｎ−ブタン（燃料ガス）に二酸化炭素（残留ガス）を１０％混合して生成したガスを、上記の圧縮膨脹機関に送給して同様に燃焼させた場合には、第２赤外受光器14c-2から出力された受光量信号に基づく透過率の変動データとして、図５の太線で示す透過率の変動データが得られる。
【００４３】
この場合、透過率の変動データは、燃焼が始まる前に透過率の減少が生じている。これは、燃焼室21の圧縮にともなって生じる二酸化炭素のモル濃度の変化に起因しているものと思われる。
【００４４】
二酸化炭素のモル濃度の変化が透過率の減少傾向としてあらわれるということは、二酸化炭素のモル濃度を決定している燃焼室21中の二酸化炭素の濃度を、透過率の減少傾向から特定することができることを示している。
【００４５】
そこで、ガス濃度検出部15では、矩形波状となっている透過率の変動データの山と谷の部分の差を求めることにより、図６に示すように、透過率の変動データの谷の部分を基準として補正した透過率推移データを生成している。図６中、太線の透過率推移データは図４に示した燃料ガスのみの場合であり、細線の透過率推移データは図５に示した二酸化炭素を１０％添加した燃料ガスのみの場合である。図７に、二酸化炭素の添加量を０％、１％、３％、５％、７％、１０％とした場合のそれぞれの透過率推移データを示す。
【００４６】
ガス濃度検出部15では、図７に示すように、透過率推移データにおける燃焼室21の圧縮にともなう透過率の減少傾向が、燃焼室21中の二酸化炭素の濃度に応じて異なることを利用し、受光量信号を解析して得られた透過率の減少傾向を、図７に示すあらかじめ特定された透過率の減少傾向とマッチングさせることにより残留ガスの濃度を特定している。なお、残留ガスの濃度だけでなく、燃料ガスの濃度も同様にして検出することができる。
【００４７】
ここで、透過率の減少傾向は、前述したように燃焼室21内のガスのモル濃度の変動に依存するが、この燃焼室21内におけるガスのモル濃度の変動は燃焼室21内の圧力の影響によっても生じる。
【００４８】
そこで、例えば、図１に示したように、内燃機関20のシリンダヘッド22には、圧電式圧力変換素子などの圧力センサ23を設け、この圧力センサ23で燃焼室21内の圧力を検出するとともに、検出結果の圧力データをガス濃度検出部15に入力して、ガス濃度検出部15において燃焼室21内の圧力に基づく補正を行うことが望ましい。ここで、圧力センサ23は、燃焼室21内の圧力を検出することができればどのようなセンサであってもよい。
【００４９】
燃焼室21内の圧力に基づく補正では、ガス濃度検出部15でのマッチングの基準となっている透過率の減少傾向を測定した際の圧力との差に基づいて、受光量信号を解析して得られた透過率の減少傾向を補正しており、この補正を行うことにより残留ガスの濃度、及び燃料ガスの濃度をより正確に検出できる。あるいは、燃焼室21内の圧力に基づく補正では、燃焼室21内の圧力ごとにおける透過率の減少傾向の補正量をあらかじめデータベース化しておき、データベースに基づいて補正してもよい。
【００５０】
このように構成したガス濃度検出装置において、導光体13は、図８に示すように、内燃機関20に装着する点火プラグ24に一体的に設けることにより、導光体13を装着するための構造を内燃機関20に設けることなく導光体13を装着することができ、どのような内燃機関においても、直ちにガス濃度の検出を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係るガス濃度検出装置のブロック図である。
【図２】第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面説明図である。
【図３】導光体の縦断面説明図である。
【図４】二酸化炭素０％のｎ−ブタンを燃焼させた場合の透過率の変動データである。
【図５】二酸化炭素１０％のｎ−ブタンを燃焼させた場合の透過率の変動データである。
【図６】図４及び図５の透過率の変動データから得られる透過率推移データである。
【図７】二酸化炭素の濃度を異ならせた場合の透過率推移データである。
【図８】導光体を装着した点火プラグの説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
10 光源
11 第１光ファイバ
11c 入射用コリメータ
12 第２光ファイバ
12c 出射用コリメータ
13 導光体
13a スリーブ
13a-1 第１挿通孔
13a-2 第２挿通孔
13a-3 フランジ
13b 反射板支持体
13b-1 螺着部
13b-2 支持台
13b-3 連結アーム
13c 反射体
13d 透光体
14 受光部
14a ダイクロイックフィルタ
14b-1 第１バンドパスフィルタ
14c-1 第１赤外受光器
14b-2 第２バンドパスフィルタ
14c-2 第２赤外受光器
15 ガス濃度検出部
16 光学式チョッパ
20 内燃機関
21 燃焼室
22 シリンダヘッド
23 圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関し、特に、燃焼室内の燃料ガスと残留ガスの少なくとも２種類のガスの濃度を検出可能としたガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関においては、燃焼室内で燃料ガスが適正に燃焼しているかを確認するために、燃焼状態を確認するための様々な手法が提案されている。このような、燃焼室内の燃焼状態の確認方法の一つとして、ガス濃度検出装置を用い、燃焼室に送給された燃料ガスの濃度が所望の濃度となっているかを検出することが行われている。
【０００３】
ガス濃度検出装置では、所定波長の赤外光が、燃料ガス中のガソリンなどの炭化水素系燃料に、濃度にほぼ比例して吸収されることを利用しており、燃焼室内において所定波長の赤外光を通過させ、この所定波長の赤外光の燃料ガスによる吸収度合いを赤外光の透過率から検出し、燃料ガスの濃度を検出しているものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
一方、昨今では、低公害及び低燃費を目指した予混合圧縮着火方式の内燃機関が提案されており、この内燃機関では、燃焼した燃料ガスの一部を燃焼室内に残留ガスとして残留させ、この残留ガスの熱を利用して燃焼室に送給された燃料ガスを加熱し、より高温の状態で燃料ガスを燃焼させることが行われている。
【０００５】
このような予混合圧縮着火方式の内燃機関では、燃焼室に残留させる残留ガスの量の制御が重要であり、燃焼室内に残留した残留ガスの濃度を検出することが求められていた。
【０００６】
ここで、残留ガスは二酸化炭素及び水蒸気を主成分とするガスであり、二酸化炭素も赤外光を吸収する特性を有していることから、燃料ガスの場合と同様に、赤外光の吸収度合いから残留ガスの濃度を検出することが可能であって、燃料ガス用のガス濃度検出装置と同様のガス濃度検出装置による残留ガス用のガス濃度検出装置が提案されていた。
【特許文献１】特開２００５−２３３６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ガソリンなどの炭化水素系燃料と二酸化炭素では、それぞれで吸収される赤外光の波長が異なるため、１台のガス濃度検出装置で燃料ガスの濃度と、残留ガスの濃度の両方を検出することはできず、燃料ガスの濃度と残留ガスの濃度の両方を検出したい場合には、１つの燃焼室に２台のガス濃度検出装置を装着しなければならなかった。
【０００８】
したがって、燃焼室には、２台のガス濃度検出装置が設けられることにより容積が小さくなり、しかもガス濃度検出装置によって燃料ガスあるいは残留ガスの流れが阻害されやすくなることにより、燃焼室内での燃焼に対するガス濃度検出装置の影響が無視できなくなるおそれがあった。
【０００９】
本発明者らは、このような現状に鑑み、１台のガス濃度検出装置で燃料ガスと残留ガスの異なる２種類のガスの濃度を検出可能とすべく研究開発を行って、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス濃度検出装置では、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で受光した光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、受光部は、第２光ファイバを介して導かれた光を、燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出して受光量信号として出力し、ガス濃度検出部では、受光量信号を解析して得られたそれぞれの透過率に基づいて第１のガスの濃度と、第２のガスの濃度とを検出することとした。
【００１１】
さらに、本発明のガス濃度検出装置では、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）第１光ファイバに入射される光を、光学式チョッパで断続的に遮断された断続光としたこと。
（２）第１光ファイバの端部と第２光ファイバの端部を固定支持するスリーブと、第１光ファイバの端部及び第２光ファイバの端部に近接させてスリーブに設けた透光体と、この透光体越しに第１光ファイバから照射された光を反射して第２光ファイバに入射させる反射体とで導光体を構成し、第１光ファイバから照射された光を、透光体と反射体との間において燃焼室内を通過させるとともに、透光体の反射体側を凸面形状として、燃焼室内を通過する光を平行光としたこと。
（３）燃焼室内の圧力を検出する圧力センサから入力された圧力データに基づいて、第１のガスの濃度と第２のガスの濃度を補正する補正手段をガス濃度検出部に設けたこと。
（４）導光体を内燃機関に装着する点火プラグに装着したこと。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源を用いることにより、この光源から照射された光は、第１のガスである燃料ガスによって吸収される波長の光と、第２のガスである残留ガスによって吸収される波長の光とを有するので、燃焼室内を通過してガスによる吸収が生じた光を燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの光の透過率を検出することによって、１つのガス濃度検出装置で燃料ガスの濃度と残留ガスの２種類のガスの濃度とを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明のガス濃度検出装置は、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、この光源から照射された光を導く第１光ファイバと、この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、この受光部で検出された光の透過率から燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部を備えているものである。
【００１４】
従来、燃焼室内に送給される燃料ガスは、波長約3.38μｍの光を吸収することが知られており、このことを利用したガス濃度検出装置が既に提案されている。一方、残留ガスの主成分である二酸化炭素は、波長4.30μｍ、2.70μｍ、2.00μｍの光をそれぞれ吸収することが知られており、波長4.30μｍの光の吸収を検出するための光源、すなわち、波長4.30μｍにおいて効果的に光の吸収を検出できる十分な強度を有する光を照射可能な光源を用いれば、波長3.38μｍの光においても光の吸収の検出に十分な強度を有しているため、波長3.38μｍの吸収を検出するための光源としても利用可能である。
【００１５】
そこで、本発明のガス濃度検出装置では、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源を用いることにより、１つの光源で波長3.38μｍの光の吸収と、波長4.30μｍの光の吸収を検出しているものである。特に、二酸化炭素による光の吸収を波長2.70μｍの光を用いて検出する場合には、波長2.70μｍの光が二酸化炭素だけでなく、水蒸気（H2O）にも吸収されるため、二酸化炭素のみによる光の吸収の検出が困難であり、また、二酸化炭素による光の吸収を波長2.00μｍの光を用いて検出する場合には、波長2.00μｍの光を光の吸収を効果的に検出できる十分な強度で照射可能な光源で、波長3.38μｍの光を光の吸収を効果的に検出できる十分な強度で照射することが困難となることからも、二酸化炭素による光の吸収を検出するには、波長4.30μｍの光を用いることが望ましい。
【００１６】
受光部は、燃焼室内を通過して導光体から出射されて第２光ファイバを介して導かれた光を、燃焼室内の第１のガスである燃料ガスに吸収される波長の光と、燃焼室内の第２のガスである残留ガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの光の強度を検出し、ガス濃度検出部では、受光部で検出された光の強度に基づいて受光部から出力された受光量信号を解析してそれぞれの光の透過率を検出し、検出された透過率に基づいてそれぞれのガスの濃度を検出している。
【００１７】
このように、本発明のガス濃度検出装置では、１つの光源から照射された赤外光から燃料ガスと残留ガスの２種類のガスの濃度を検出できるので、燃焼室へのガス濃度検出装置の配設を容易とすることができ、燃焼室内での燃焼状態にできるだけ影響を与えることなく燃料ガスと残留ガスの濃度をそれぞれ検出できる。
【００１８】
図１は、本実施形態のガス濃度検出装置の概略説明図である。すなわち、本実施形態のガス濃度検出装置は、赤外光を照射する光源10と、この光源10から照射された光を導く第１光ファイバ11と、この第１光ファイバ11で導かれた光を内燃機関20の燃焼室21内に導くととともに、燃焼室21内を通過させて燃焼室21から出射させる導光体13と、導光体13から出射された光を導く第２光ファイバ12と、この第２光ファイバ12を介して導かれた光を受光する受光部14と、この受光部14で検出された光の強度に基づいて得られた透過率から燃焼室21内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部15を備えている。
【００１９】
なお、少なくとも光源10及び受光部14は、図示しない防振台上に設けており、内燃機関20の駆動に伴う振動などの影響を受けにくくしている。
【００２０】
光源10は、少なくとも波長3.38〜4.30μｍの赤外光を照射可能としており、赤外ランプや、He−Neレーザ、気体レーザ（例えばCO2レーザなど）、半導体レーザ（例えばPbSnTeなど）、ＹＡＧレーザ、量子カスケードレーザなどの赤外線レーザ装置を用いることができる。本実施形態では、光源10は赤外ランプとしている。あるいは、例えばHe−Neレーザと量子カスケードレーザとを用いて、それぞれのレーザの出力を１つに重ね合わせて第１光ファイバ11に向けて照射可能としてもよい。
【００２１】
本実施形態のガス濃度検出装置では、後述するように、波長3.38μｍの赤外光と、波長4.30μｍの赤外光の透過率を用いて燃料ガスの濃度と残留ガスの濃度を検出するため、波長3.38〜4.30μｍの帯域で、できるだけ高強度の赤外線を照射可能な光源10を用いることが望ましい。
【００２２】
光源10は、第１光ファイバ11の端部に設けた入射用コリメータ11cに向けて赤外光を照射し、第１光ファイバ11に赤外光を入射させている。
【００２３】
光源10と入射用コリメータ11cとの間には光学式チョッパ16を設け、光源10から照射された赤外光を断続的に遮断して、断続光を第１光ファイバ11に入射して導光体13に導いている。
【００２４】
第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12は、図２に示すように、中空ファイバとしており、中空ファイバの中空部は、直径700μｍ程度としている。第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12には、このような中空ファイバを用いることにより、一般的なフッ化物ファイバなどを用いた場合よりも、波長3.38〜4.30μｍの赤外光を低損失で伝播させて高出力とすることができ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。なお、本実施形態では、中空ファイバは、内側から環状オレフィンポリマを用いた透明誘電体層L1、銀を用いた金属層L2、石英ガラス層L3、ポリイミド保護層L4を順次積層させて形成している。
【００２５】
また、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12には、サファイアファイバを用いることもできる。特に、サファイアファイバは高温耐性を有しているため、高温となる内燃機関20の周囲に配設した場合でも、赤外光を低損失で伝播させることができる。
【００２６】
導光体13は、図３に示すように、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12が装着される筒状のスリーブ13aと、このスリーブ13aの先端に装着した反射板支持体13bとで構成し、反射板支持体13b部分を燃焼室21内に配置するとともに、第１光ファイバ11によって導かれた赤外光を反射板支持体13bに向けて照射することにより、赤外光を燃焼室21内に導いて、燃焼室21内を通過させている。
【００２７】
燃焼室21内に導かれた赤外光は、反射板支持体13bに設けた金属製の反射体13cに反射させており、特に、第２光ファイバ12に向けて反射させ、燃焼室21から出射させている。導光体13によって燃焼室21から出射させた赤外光は、導光体13に装着した第２光ファイバ12に入射させている。
【００２８】
スリーブ13aには、先端部にサファイアガラス製の透光体13dを装着しており、この透光体13dで筒状となっているスリーブ13aの先端を閉塞している。
【００２９】
さらに、スリーブ13aには、第１光ファイバ11と第２光ファイバ12をそれぞれ挿入可能とした第１挿通孔13a-1と第２挿通孔13a-2を設けており、これらの第１挿通孔13a-1と第２挿通孔13a-2に、第１光ファイバ11と第２光ファイバ12をそれぞれ挿入することによって、第１光ファイバ11及び第２光ファイバ12の端部をスリーブ13aで固定支持している。図３中、13a-3はスリーブ13aの外周面に設けたフランジであって、このフランジ13a-3を介して導光体13を所定位置に固定的に装着可能としている。
【００３０】
スリーブ13aで固定支持された第１光ファイバ11と第２光ファイバ12は、端部を透光体13dに近接させており、特に、透光体13dに当接させることによって、各ファイバ11,12
の端部と透光体13dとの間で赤外光の損失が生じることを抑制している。
【００３１】
反射板支持体13bは、スリーブ13aの先端に螺着可能とした雌ネジ状の螺着部13b-1と、反射体13cが装着される支持台13b-2と、この支持台13b-2と螺着部13b-1とを連結する複数のロッド状の連結アーム13b-3とで構成し、支持台13b-2に反射体13cを装着している。なお、反射板支持体13bは、螺着部13b-1を介して必ずしもスリーブ13aに着脱自在としている必要はなく、スリーブ13aの先端に連結アーム13b-3を直接設けて支持台13b-2を支持し、反射体13cを装着可能としてもよい。
【００３２】
スリーブ13aの先端に装着した透光体13dは、反射体13c側を所定の曲率を有する凸面形状として、透光体13d越しに第１光ファイバ11から燃焼室21内に向けて照射した赤外光を平行光としている。
【００３３】
このように透光体13dで平行光とした赤外光を燃焼室21内に入射させ、透光体13dと反射体13cとの間において燃焼室21内を通過させることにより、反射体13cを赤外光のスポットサイズに合わせて小さくすることができる。したがって、燃焼室21に占める反射板支持体13bの領域をできるだけ小さくして、反射板支持体13bが燃焼の妨げとなることを防止できるとともに、燃焼室21内を通過する赤外光のガスによる吸収を安定化させることができるので、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。なお、透光体13dによって平行光とされた赤外光は、必ずしも完全な平行光である必要はなく、第１光ファイバ11から出射された赤外光の拡散を抑制できていればよい。
【００３４】
透光体13dと反射体13cとの間の間隔はできるだけ大きくすることにより、透光体13dと反射体13cとの間に存在するガスによって所定波長の赤外光をより多く吸収させて、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。ただし、透光体13dと反射体13cとの間の間隔寸法は、導光体13が、燃焼室21内のバルブやピストンの動作の障害とならない程度としている。
【００３５】
受光部14は、図１に示すように、第２光ファイバ12を介して導光体13から導かれた赤外光を波長3.38μｍの光を含む第１の赤外光と、波長4.30μｍの光を含む第２の赤外光とに分けるダイクロイックフィルタ14aと、このダイクロイックフィルタ14aで分けられた第１の赤外光のうちの波長3.38μｍの赤外光を通過させる第１バンドパスフィルタ14b-1と、この第１バンドパスフィルタ14b-1を通過した第１の赤外光を受光する第１赤外受光器14c-1と、ダイクロイックフィルタ14aで分けられた第２の赤外光のうちの波長4.30μｍの赤外光を通過させる第２バンドパスフィルタ14b-2と、この第２バンドパスフィルタ14b-2を通過した第２の赤外光を受光する第２赤外受光器14c-2を備えている。図１中、12cは第２光ファイバ12の受光部14側の端部に設けた出射用コリメータである。
【００３６】
第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2は、それぞれが受光した赤外光の強度に基づいて、強度に応じた信号を受光量信号としてそれぞれ出力している。本実施形態では、第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2は、ＭＣＴ受光器としている。
【００３７】
ガス濃度検出部15は、第１赤外受光器14c-1から入力された受光量信号と、第２赤外受光器14c-2から入力された受光量信号を、第１光ファイバ11を介して導光体13に入射させている赤外光の強度でそれぞれ正規化することにより透過率の変動データを生成し、この透過率の変動データを解析することにより、第１のガスである燃料ガスの濃度、及び第２のガスである残留ガスの濃度を検出している。
【００３８】
ガス濃度検出部15における透過率の変動データの解析は、以下のようにしている。
【００３９】
まず、第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2から出力される受光量信号は、第１光ファイバ11を介して導光体13に入射させる赤外光を光学式チョッパ16によって断続的に遮断して断続光として、所定の間隔で受光量が零となった略矩形状の矩形波信号としている。このように、導光体13に導く光を断続光としておくことにより、赤外光が遮断されている部分を第１赤外受光器14c-1及び第２赤外受光器14c-2における受光量の変動の検出における基準とすることができ、受光量をより正確に検出できるので、ガスの濃度の検出精度を向上させることができる。
【００４０】
ここで、内燃機関20の燃焼室21に二酸化炭素（残留ガス）が存在しない状態で燃料ガスを燃焼させた場合には、第２赤外受光器14c-2から出力された受光量信号に基づく透過率の変動データとして、図４の太線で示す透過率の変動データが得られる。なお、燃料ガスには純ｎ−ブタンを用い、内燃機関20はボア×ストロークを78.0mm×85.0mm、圧縮比を9.02、燃焼室形状をパンケーキ型とした圧縮膨脹機関として、回転速度を600rpmとして燃料ガスを燃焼させている。図４の横軸は、圧縮膨脹機関のクランク角度である。図４中の細線は、圧縮膨脹機関のシリンダヘッドに設けた圧電式圧力変換素子で検出した燃焼室内の圧力を示している。
【００４１】
この場合、燃焼室21内で燃焼が始まると、燃料ガスの温度が上昇して熱放射が生じるために、この熱放射の影響によって透過率の変動データのベースラインが変化し、正しい透過率を示せなくなっているが、燃焼が始まるまでは、透過率の変動データが一定の矩形形状の繰り返しとなっていることが分かる。
【００４２】
また、ｎ−ブタン（燃料ガス）に二酸化炭素（残留ガス）を１０％混合して生成したガスを、上記の圧縮膨脹機関に送給して同様に燃焼させた場合には、第２赤外受光器14c-2から出力された受光量信号に基づく透過率の変動データとして、図５の太線で示す透過率の変動データが得られる。
【００４３】
この場合、透過率の変動データは、燃焼が始まる前に透過率の減少が生じている。これは、燃焼室21の圧縮にともなって生じる二酸化炭素のモル濃度の変化に起因しているものと思われる。
【００４４】
二酸化炭素のモル濃度の変化が透過率の減少傾向としてあらわれるということは、二酸化炭素のモル濃度を決定している燃焼室21中の二酸化炭素の濃度を、透過率の減少傾向から特定することができることを示している。
【００４５】
そこで、ガス濃度検出部15では、矩形波状となっている透過率の変動データの山と谷の部分の差を求めることにより、図６に示すように、透過率の変動データの谷の部分を基準として補正した透過率推移データを生成している。図６中、太線の透過率推移データは図４に示した燃料ガスのみの場合であり、細線の透過率推移データは図５に示した二酸化炭素を１０％添加した燃料ガスのみの場合である。図７に、二酸化炭素の添加量を０％、１％、３％、５％、７％、１０％とした場合のそれぞれの透過率推移データを示す。
【００４６】
ガス濃度検出部15では、図７に示すように、透過率推移データにおける燃焼室21の圧縮にともなう透過率の減少傾向が、燃焼室21中の二酸化炭素の濃度に応じて異なることを利用し、受光量信号を解析して得られた透過率の減少傾向を、図７に示すあらかじめ特定された透過率の減少傾向とマッチングさせることにより残留ガスの濃度を特定している。なお、残留ガスの濃度だけでなく、燃料ガスの濃度も同様にして検出することができる。
【００４７】
ここで、透過率の減少傾向は、前述したように燃焼室21内のガスのモル濃度の変動に依存するが、この燃焼室21内におけるガスのモル濃度の変動は燃焼室21内の圧力の影響によっても生じる。
【００４８】
そこで、例えば、図１に示したように、内燃機関20のシリンダヘッド22には、圧電式圧力変換素子などの圧力センサ23を設け、この圧力センサ23で燃焼室21内の圧力を検出するとともに、検出結果の圧力データをガス濃度検出部15に入力して、ガス濃度検出部15において燃焼室21内の圧力に基づく補正を行うことが望ましい。ここで、圧力センサ23は、燃焼室21内の圧力を検出することができればどのようなセンサであってもよい。
【００４９】
燃焼室21内の圧力に基づく補正では、ガス濃度検出部15でのマッチングの基準となっている透過率の減少傾向を測定した際の圧力との差に基づいて、受光量信号を解析して得られた透過率の減少傾向を補正しており、この補正を行うことにより残留ガスの濃度、及び燃料ガスの濃度をより正確に検出できる。あるいは、燃焼室21内の圧力に基づく補正では、燃焼室21内の圧力ごとにおける透過率の減少傾向の補正量をあらかじめデータベース化しておき、データベースに基づいて補正してもよい。
【００５０】
このように構成したガス濃度検出装置において、導光体13は、図８に示すように、内燃機関20に装着する点火プラグ24に一体的に設けることにより、導光体13を装着するための構造を内燃機関20に設けることなく導光体13を装着することができ、どのような内燃機関においても、直ちにガス濃度の検出を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係るガス濃度検出装置のブロック図である。
【図２】第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面説明図である。
【図３】導光体の縦断面説明図である。
【図４】二酸化炭素０％のｎ−ブタンを燃焼させた場合の透過率の変動データである。
【図５】二酸化炭素１０％のｎ−ブタンを燃焼させた場合の透過率の変動データである。
【図６】図４及び図５の透過率の変動データから得られる透過率推移データである。
【図７】二酸化炭素の濃度を異ならせた場合の透過率推移データである。
【図８】導光体を装着した点火プラグの説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
10 光源
11 第１光ファイバ
11c 入射用コリメータ
12 第２光ファイバ
12c 出射用コリメータ
13 導光体
13a スリーブ
13a-1 第１挿通孔
13a-2 第２挿通孔
13a-3 フランジ
13b 反射板支持体
13b-1 螺着部
13b-2 支持台
13b-3 連結アーム
13c 反射体
13d 透光体
14 受光部
14a ダイクロイックフィルタ
14b-1 第１バンドパスフィルタ
14c-1 第１赤外受光器
14b-2 第２バンドパスフィルタ
14c-2 第２赤外受光器
15 ガス濃度検出部
16 光学式チョッパ
20 内燃機関
21 燃焼室
22 シリンダヘッド
23 圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、
この光源から照射された前記光を導く第１光ファイバと、
この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、
この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、
この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、
この受光部で受光した光の透過率から前記燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部と
を備えたガス濃度検出装置であって、
前記受光部は、前記第２光ファイバを介して導かれた光を、前記燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、前記燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出して受光量信号として出力し、
前記ガス濃度検出部では、前記受光量信号を解析して得られたそれぞれの透過率に基づいて前記第１のガスの濃度と、前記第２のガスの濃度とを検出するガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記第１光ファイバに入射される光は、光学式チョッパで断続的に遮断された断続光としたことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記導光体は、
前記第１光ファイバの端部と前記第２光ファイバの端部を固定支持するスリーブと、
前記第１光ファイバの端部及び前記第２光ファイバの端部に近接させて前記スリーブに設けた透光体と、
この透光体越しに前記第１光ファイバから照射された光を反射して前記第２光ファイバに入射させる反射体と
を備え、
前記第１光ファイバから照射された光を、前記透光体と前記反射体との間において燃焼室内を通過させるとともに、前記透光体の前記反射体側を凸面形状として、前記燃焼室内を通過する光を平行光としたことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記ガス濃度検出部は、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力センサから入力された圧力データに基づいて、前記第１のガスの濃度と前記第２のガスの濃度を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記導光体は、前記内燃機関に装着する点火プラグに装着したことを特徴とする請求項３に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１】
少なくとも波長3.38〜4.30μｍの光を照射する光源と、
この光源から照射された前記光を導く第１光ファイバと、
この第１光ファイバで導かれた光を内燃機関の燃焼室内に導いて、この燃焼室内を通過させて出射させる導光体と、
この導光体から出射された光を導く第２光ファイバと、
この第２光ファイバを介して導かれた光を受光する受光部と、
この受光部で受光した光の透過率から前記燃焼室内の所定のガスの濃度を検出するガス濃度検出部と
を備えたガス濃度検出装置であって、
前記受光部は、前記第２光ファイバを介して導かれた光を、前記燃焼室内の第１のガスに吸収される波長の光と、前記燃焼室内の第２のガスに吸収される波長の光に分離して、それぞれの波長における光の強度を検出して受光量信号として出力し、
前記ガス濃度検出部では、前記受光量信号を解析して得られたそれぞれの透過率に基づいて前記第１のガスの濃度と、前記第２のガスの濃度とを検出するガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記第１光ファイバに入射される光は、光学式チョッパで断続的に遮断された断続光としたことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記導光体は、
前記第１光ファイバの端部と前記第２光ファイバの端部を固定支持するスリーブと、
前記第１光ファイバの端部及び前記第２光ファイバの端部に近接させて前記スリーブに設けた透光体と、
この透光体越しに前記第１光ファイバから照射された光を反射して前記第２光ファイバに入射させる反射体と
を備え、
前記第１光ファイバから照射された光を、前記透光体と前記反射体との間において燃焼室内を通過させるとともに、前記透光体の前記反射体側を凸面形状として、前記燃焼室内を通過する光を平行光としたことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記ガス濃度検出部は、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力センサから入力された圧力データに基づいて、前記第１のガスの濃度と前記第２のガスの濃度を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項３に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記導光体は、前記内燃機関に装着する点火プラグに装着したことを特徴とする請求項３に記載のガス濃度検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−４２１９２（Ｐ２００９−４２１９２Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１０５６０（Ｐ２００７−２１０５６０）
【出願日】平成１９年８月１１日（２００７．８．１１）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月１１日（２００７．８．１１）
【出願人】（５０４１４７２４３）国立大学法人 岡山大学 (444)
【Ｆターム（参考）】
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