JPH02138833A - エンジン燃焼室内の火炎位置検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、自動車等のエンジンの燃焼室内で発生する火
炎の位置を検知するための装置に関する。

［従来の技術］ 従来、自動車等のエンジンの燃焼室内で発生する燃焼光
（火炎）を検知する装置としては、第１２図に示すよう
なものがある。この装置では、指向性のない広角の球面
レンズ１００が燃焼室内の壁面上に設けられ、この球面
レンズ１００後方に光の有無を検知するフォトダイオー
ド１０１が配置されており、フォトダイオード１０１か
らの受光信号が、計測器１０２により表示出力されるよ
うになっている。

このような装置が光を感知する領域は第１２図に斜線で
示すような範囲であり、この領域内で燃焼光が発生する
と、その燃焼光の存在が、球面レンズ１００を通してフ
ォトダイオード１０１により検知される。

そして、従来、上述のような燃焼光検知装置により得ら
れた計測結果に基づきエンジンの最適点火時期、最適燃
料量等を得る燃焼光処理装置（特開昭６２−２１４２７
２号公報）や、上述のような燃焼光検知装置により燃焼
室内の燃焼光の発光期間を計測して燃焼の速度を予想し
吸気加熱制御の判断基準とする装置（実開昭６２〜１５
４２６４号公報）などが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、」二連した従来の燃焼光検知装置では、燃焼
室内において発光を生じたか否かの検知は行なえるが、
その発光の位置、つまり燃焼光の元である火炎の位置を
検知することは不可能である。

エンジンの燃焼室内においては、通常、点火プラグ付近
にて着火して生じた火炎体は、その着火点から燃焼室壁
面に向かって伝播している。このような火炎伝播の状態
、つまり火炎の位置を検知することは、エンジンの燃焼
状態を理解する上で、また、よりきめ細かいエンジン制
御（ノッキング制御等）を行なっていく」−で極めて重
要であり、燃焼室内で発生する火炎位置を検知する装置
を実現することが望まれている。

本発明は、」二連のような課題を解決しようとするもの
で、燃焼室内の火炎位置の検知を可能にして、燃焼状態
を詳細に指環できるとともにきめの細かいエンジン制御
を実現できるようにした、エンジン燃焼室内の火炎位置
検知装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このため、本発明のエンジン燃焼室内の火炎位置検知装
置は、エンジンの燃焼室内で発生する火炎の像を同火炎
の存在位置に応した上記燃焼室外の適当な位置に結像し
うる凸レンズを、上記燃焼室の壁部に設け、この凸レン
ズにより」二記燃焼室外に結像される」二記火炎の像の
位置を上記燃焼室内における上記火炎の存在位置として
検知する検知手段を設けたことを特徴としている。

［作　　　用コ 上述の本発明のエンジン燃焼室内の火炎位置検知装置で
は、凸レンズが、この凸レンズと光源との距離および焦
点距離に応じて光源の像を光源とは反対側の適当な位置
に結像させる特性を有していることを利用しており、燃
焼室の壁部に設けた凸レンズによって、燃焼室内で発生
する火炎の像が燃焼室外に取り出される。燃焼室外に結
像される火炎の像の位置は燃焼室内における火炎の存在
位置に対応しているので、検知手段にて火炎の結像位置
を検知することにより、燃焼室内の火炎位置の検知が可
能になる。

［実　施　例コ 以下、図面により本発明の実施例について説明する。

第１〜５図は本発明の第］実施例としてのエンジン燃焼
室内の火炎位置検知装置を示すもので、第１図はその概
略構成図、第２図は本実施例の装置により検知した火炎
存在位置を筒内圧および熱発生率と対応させて示す図、
第３〜５図はいずれもその具体的な利用例を説明するた
めのフォＩ−ダイオード受光信号のタイミングチャート
である。

本実施例の装置では、第１図に示すように、自動車のエ
ンジンの燃焼室８の壁部１に形成された適当な径の開口
１ａに凸レンズ２が嵌め込まれている。この凸レンズ２
は、燃焼室８内で発生する火炎の像をこの火炎の存在位
置に応じた燃焼室８外の適当な位置に結像しうるもので
あり、凸レンズ２の光軸りは、水平に、且つ、光軸り上
に燃焼室８内の点火プラグ６の着火点（第１図の鎖線参
照）もしくは着火点の近傍（第１図の実線参照）に位置
するように配置されている。また、凸レンズ２は、点火
プラグ６からなるべ−く遠い壁部１に配置される。

なお、凸レンズ２は、燃焼室８内の燃焼に伴う高熱に耐
えうるように耐熱性の材質で形成されている。また、第
１図においては、開口１ａや凸レンズ２が点火プラグ６
の大きさに対し拡大して示されており、実際には、強度
上問題がなく且つ火炎の像を確実にとらえることができ
る大きさに形成される。

そして、燃焼室８外において、凸レンズ２の光軸り上に
は、半透明ロッド３およびマスク７が配置されている。

半透明ロッド（半透明媒質）３は、凸レンズ２の光軸Ｔ
、　ｌで燃焼室８内の火炎の像が結像されうる範囲に配
置され、燃焼室８内の火炎の像が結像され光が集中する
とその部分で光を散乱光に変えるものである。このよう
な半透明ロッド３は、例えば、セラミックファイバや、
透明な材質中に多数の疲労破壊面、アルミ箔を設けたも
のなどで形成される。

マスク７は、凸レンズ２の近傍に配置されており、凸レ
ンズ２の中心部付近を部分的に覆うことにより光軸り方
向の空間分解能を確保している。

また、半透明ロッド３に沿って、８個のフォトダイオー
ド１０〜１７からなる高指向性１次元フォトダイオード
アレイ４が配置されている。各フォトダイオード１０〜
１７は、第１図に示すように、それぞれ位置Ｐ。′〜Ｐ
７′に半透明ロッド３と対向するように配置され、各フ
ォトダイオード１０〜１７と対向する半透明ロッド３の
部分（位置Ｐ。′〜Ｐ７′）で火炎の像の結像に伴う散
乱光が発生しているか否かを検知し、フォ１−ダイオー
ド受光信号Ｓ。〜Ｓ７として出力するものである。

ここで、各位置Ｐ。′〜Ｐ７′は、それぞれ、燃焼室８
内における位置Ｐ。−Ｐ７にて火炎が存在する場合に凸
レンズ２の作用によりその火炎の像が結像する位置に対
応している。なお、位置Ｐ。は点火プラグ６の着火位置
、位置Ｐ７は燃焼室８の壁部１側の位置で、各位置Ｐ□
〜Ｐ６は位置Ｐ。とＰ７との間を等分割した位置である
。

さらに、高指向性１次元フォートダイオードアレイ４に
は計測器５が接続されており、各フォトダイオード１０
〜１７からのフォトダイオード受光信号Ｓ。−８７は計
測器５へ出力され、この計測器５において、フォトダイ
オード受光信号Ｓ。−８７に基づき、半透明ロッド３か
らの散乱光を受光しているフォトダイオード１０〜１７
が識別され、燃焼室８内の火炎の存在位置（ｐｏ−ｐ７
）が検知される。つまり、各位置ＰＩ、’〜Ｐ７′にお
けるフォトダイオミド１０〜１７からのフォ１−ダイオ
ード受光信号Ｓ。〜Ｓ７がＨｉｇｈレベルであれば、そ
れぞれ、半透明ロッド３上の位置Ｐ。′〜Ｐ７′に火炎
の像が結像しており、燃焼室８内の位置Ｐ。−Ｐ７に火
炎が存在していると判断する。

これらの高指向性１次元フォトダイオードアレイ４およ
び計測器５から、凸レンズ２により燃焼室８外の半透明
ロッド３上に結像された火炎の像の位置を燃焼室８内に
おける火炎の存在位置として検知する検知手段が構成さ
れている。

本発明の第１実施例としてのエンジン燃焼室内の火炎位
置検知装置は上述のごとく構成されているので、次のよ
うに動作する。

燃焼室８内において火炎が発生すると、凸レンズ２は、
この凸レンズ２と燃焼室８内における火炎の存在位置と
の距離および凸レンズ２の焦点距離に応じて、燃焼室８
外の半透明ロッド３上の適当な位置に火炎の像を結像し
、燃焼室８内で発生する火炎の像が燃焼室８外に取り出
される。

燃焼室８外で結像された火炎の像の位置Ｐ。′〜Ｐ７′
は、燃焼室８内における実際の火炎の存在位置Ｐ。−Ｐ
７に対応している。

例えば、燃焼室８内の位置Ｐ３において火炎が存在して
いる場合には、この位置Ｐ３における火炎の像が、凸レ
ンズ２の作用により半透明ロッド３上の位置Ｐ３′に結
像する。半透明ロッド３は、火炎の像が結像するとその
結像位置で散乱光を発するため、高指向性１次元フォト
ダイオードアレイ４のフォトダイオード１３により、半
透明ロッド３からの散乱光が検知され、Ｈｉｇｈレベル
のフォトダイオード受光信号Ｓ３が計測器５へ出力され
る。これにより、半透明ロッド３上の位置Ｐ３′に火炎
の像が結像したこと、即ち、燃焼室８内の位置Ｐ３に火
炎が存在していることが検知される。

燃焼室８内の位置Ｐ３以外の位置Ｐ。−Ｐ２．Ｐ４〜Ｐ
７に火炎が存在する場合にも、上述と同様にして、高指
向性１次元フォトダイオードアレイ４および計測器５に
より、その位置Ｐ。−Ｐ２．Ｐ４〜Ｐ７が検知される。

本実施例の装置により、燃焼室８で発生した火炎の存在
位置を検知すると、例えば第２図に示すようになる。こ
の第２図において、火炎の存在位置は、クランク角に応
じて示されるとともに、燃焼室８内における筒内圧およ
び熱発生率とも対応させて示されている。この第２図か
ら明らかなように、筒内圧上昇および温度上昇に対応し
て、火炎は、プラグ６側から燃焼室８の壁部１側へ向け
て伝播していることが判る。

次に、第３〜５図により、本実施例の装置の具体的な利
用例について説明する。

■火炎伝播期間のセンシング 第３図に示すように、フォ１−ダイオード１０からの受
光信号Ｓ、の立上がり時刻（即ち点火プラグ６の位置で
火炎が発生した時刻）から、最も燃焼室８の壁部１側に
あるフォトダイオード１７からの受光信号Ｓ７の立」二
かり時刻までの間をタイマでカラン１へすることにより
、火炎の伝播期間を検出できる。

■燃焼期間のセンシング 第３図に示すように、フォトダイオード１０からの受光
信号Ｓ。の立上がり時刻から、最も燃焼室８の壁部１側
にあるフォトダイオード１７からの受光信号Ｓ７の立下
がり時刻までの間をタイマでカウントすることにより、
燃焼室８内の燃焼期間を検出できる。

■火炎帯の幅の測定 （ａ）フォトダイオード１０〜１７のうち、連続する複
数のフォトダイオードが同時にＨｊｇｈレベルの受光信
号を出力している場合、その両端のフォトダイオードが
それぞれ検知する火炎位置の距離から、火炎帯の幅を概
ね判定できるが、この場合、各フォトダイオード１０〜
１７の配置間隔つまりセンシング分解能で誤差範囲が左
右される。

例えば、第３図においては、フォトダイオード１０〜１
２からの受光信号Ｓ。−８２が連続的に且つほぼ同時に
Ｈｉｇｈレベルになっていることから、燃焼室８内の位
置Ｐ。−Ｐ２に亘って火炎帯があり、その幅はほぼＰ。

Ｐ２であると判定できる。

（ｂ）また；」二連した両端のフォトダイオードの受光
信号について、火炎前端側（壁部１側）の受光信号の立
上がり時刻と、火炎後端側（点火プラグ６側）の受光信
号の立下がり時刻とをセンシングして、これらの時刻開
時間を求める。

一方、両端のフォトダイオードからの受光信号の立上が
り時刻（もしくは立下がり時刻）と、両端のフォトダイ
オードに隣接するフォトダイオードからの受光信号の立
上がり時刻（もしくは立下がり時刻）との時間差に基づ
いて火炎伝播速度を求める。そして、前述した時刻間−
月 時間および火炎伝播速度により、項目（ａ）において求
めた火炎帯の幅を補正してもよい。

例えば、第３図においては、受光信号Ｓ２の立上がり時
刻と受光信号Ｓ。の立下がり時刻とをセンシングして、
これらの時刻開時間Δｔ□を求めるとともに、受光信号
Ｓ。の立下がり時刻と受光信号Ｓ２の立下がり時刻との
時間差Δｔ２と、フォトダイオード１０．１１に対応す
る位置間距離Ｐ。Ｐ工とから火炎伝播速度Ｐ、Ｐ、、／
Δｔ２を求める。そして、時刻開時間Δｔ□および火炎
伝播速度Ｐ。Ｐ１／Δｔ２より、項目（ａ）において求
めた火炎帯の幅Ｐ。Ｐ２を、ＰｏＰ２＋（ＰｏＰ１／Δ
ｔ　２）’Δｔ１と補正する。

これによって、火炎帯の幅をより精度高く測定できる。

■ブレイグニションの判別 第４図に示すように、点火信号が発生する以前に、フォ
トダイオード１０〜１７の受光信号５ｏ−８７のいずれ
かがＨｉｇｈレベルになったのを検知した場合に、ブレ
イグニションが発生したと判断できる。

■自着火によるノッキングの判別 通常、燃焼室８内の火炎伝播は点火プラグ６側から壁部
１側へ向かって進行していくので、フォトダイオード１
０〜１，７の受光信号Ｓ。〜Ｓ７は順に立ち上がってい
くが、自着火によるノッキングが発生すると、例えば、
第５図に示すように、受光信号Ｓ。−８７の立上がりに
不連続性が認められる。これを検知することにより、自
着火によるノッキングの判別が行なわれる。

このように、本発明の第１実施例の火炎位置検知装置に
よれば、燃焼室８内の火炎の存在位置を検知することが
可能になり、検知した火炎の存在位置に基づいて、燃焼
室８内の燃焼状態、例えば、第３図に示すように火炎伝
播期間、燃焼期間、火炎帯の幅などを測定できるように
なる。従って、本実施例の装置は、エンジンの作動状態
を試験するための試験装置などにおいて有効に利用でき
る。

また、検知した火炎の存在位置に基づいて、第４．５図
に示すように、ブレイグニションや自着火によるノッキ
ングを判別することができ、この判別結果に基づき点火
時期等を制御することで、きめの細かいエンジン制御を
実現できる。

なお、本実施例の装置は、火炎の像が位置Ｐ。′〜Ｐ７
′に結像しているか否かをフォトダイオード１０〜１７
により検知して火炎位置を検知するものであり、受光レ
ベル（光強度）と関係ないので、特に凸レンズ２が汚れ
て完全に受光不能とならない限り、凸レンズ２の多少の
汚れが位置検知結果に影響を及ぼすことはない。

次に、第６図により本発明の第２実施例としてのエンジ
ン燃焼室内の火炎位置検知装置について説明すると、第
６図はその概略構成図であり、この第２実施例も第１実
施例の装置とほぼ同様に構成されているが、この第２実
施例では、第６図に示すように、半透明ロッド３の位置
Ｐ。′〜Ｐ、′と、各フォトダイオード１０〜１７との
間に、それぞれ光ファイバ２０〜２７の束が配設されて
いる。

つまり半透明ロッド３の各位置Ｐ。′〜Ｐ７′において
火炎の像の結像により散乱光が発生すると、その光が、
それぞれ光ファイバ２０〜２７により受光されてフォト
ダイオード１０〜１７まで案内されるようになっている
。

このような構成により、本発明の第２実施例の装置によ
っても、上述した第１実施例と同様の作用効果が得られ
るほか、この第２実施例では、光ファイバ２０〜２７は
高指向性を有しているので、第１実施例のように半透明
ロッド３からの散乱光をフォトダイオード１０〜１７に
より直接受光するよりも、正確に散乱光の発光位置つま
りは火炎の存在位置を検知できるようになる。また、光
ファイバ２０〜２７を用いることで、フォトダイオード
１０〜１７の設置位置を自由に設定することができる。

また、第７図により本発明の第３実施例としてのエンジ
ン燃焼室内の火炎位置検知装置について説明すると、第
７図はその概略構成図であり、この第３実施例では、第
７図に示すように、第１゜２実施例の装置における半透
明ロッド３が省略されている。つまり、第３実施例では
、火炎の結像位置Ｐ。′〜Ｐ７′に、それぞれ球面レン
ズ３０〜３７が配置され、位置Ｐ。′〜Ｐ７′において
火炎の像が結像した際に、その光が、各球面レンズ３０
〜３７により、高指向性１次元フォトダイオードアレイ
４内の各フォトダイオード１０〜１７へ案内されるよう
になっている。

このような構成により、本発明の第３実施例の装置によ
っても、上述した第１実施例と同様の作用効果が得られ
る。

そして、第８〜１１図により本発明の第４実施例として
のエンジン燃焼室内の火炎位置検知装置について説明す
ると、第８図はその概略構成図、第９図はそのフォトダ
イオードアレイの平面図、第１０．１１図はいずれもそ
の作用を説明するためのフォトダイオード出力例を示す
グラフである。

この第４実施例では、第８図に示すように、燃焼室８内
の位１ｉＰ。に火炎が存在する場合に凸レンズ２により
その像が結像される位置Ｐ。′に、第９図に示すような
円環状フォトダイオードアレイ４Ａが凸レンズ２の光軸
りに対して直交するように配置されている。

円環状フォトダイオードアレイ４Ａは、第９図に示すよ
うに、８個の円環状フォトダイオード４０〜４７から構
成されており、フォトダイオード４０が、位置Ｐ。′に
おける凸レンズ２の光軸り上に配置されている。

そして、本実施例では、燃焼室８内における火炎の存在
位置を、位置Ｐ。′における火炎の像の拡がり位置とし
て検知すべく、各円環状フォトダイオード４１〜４７が
、フォトダイオード４０の外周に順次配置されている。

各円環状フォトダイオード４１〜４７の配置される位置
は、燃焼室８内における位置Ｐ１〜Ｐ７にて火炎が発生
した場合に、凸レンズ２の作用により位置Ｐ。′で写し
出された火炎の像の最縁周位置に対応している。凸レン
ズ２により写し出された火炎の像の最縁周位置が、各円
環状フォトダイオード４０〜４７に到達すると、Ｈｉｇ
ｈレベルの受光信号Ｓ。−８７が計測器５へ出力される
。

計測器５においては、受光信号Ｓ。−８７の出力分布に
基づいて、円環状フォトダイオ−アレイド４Ａ上におけ
る火炎の像の拡がり位置を検知することにより、燃焼室
８内における火炎の存在位置が判別される。つまり、燃
焼室８内の点火プラグ側に火炎が存在する場合には、受
光信号Ｓ。−８７の出力分布は、第１０図に示すように
、中心のフォトダイオード４０付近に集中する一方、燃
焼室８内の壁部１側に火炎が存在する場合には、受光信
号Ｓ。−８７の出力分布は、第１１図に示すように、フ
ォ１−ダイオード４０〜４７に全体的に拡がる。

このように、本発明の第４実施例の装置によっても、円
環状フォトダイオードアレイ４Ａおよび計測器５により
燃焼室８内の火炎の存在位置を検知することが可能にな
り、上述した第１実施例と同様の効果が得られるほか、
この第４実施例では、凸レンズ２の光軸り方向に沿って
半透明ロッド３等を配置する必要がなく、位置Ｐ。′に
円環状フォトダイオードアレイ４Ａを配置すればよいの
で、装置の光軸り方向長さを短くすることができ、スペ
ースの限定される自動車内に搭載する上で有利である。

なお、上記第２〜４実施例のいずれにおいても、前述の
第１実施例で説明したような本装置の具体的な利用（火
炎伝播期間のセンシング、燃焼期間のセンシング、火炎
帯の幅の測定、ブレイグニションの判別、自着火による
ノッキングの判別等）が可能である。

また、」二連したいずれの実施例においても、８個のフ
ォトダイオードを用いて燃焼室８内のＰ。

〜Ｐ７の８点に火炎が存在するか否かを検知しているが
、フォｌ−ダイオードの数は任意に設定でき、その数を
増やすことにより火炎位置の検知精度を向上させること
ができる。

さらに、上記実施例では、自動車におけるエンジン燃焼
室内の火炎位置を検知する場合について説明したが、本
発明は、これに限定されるものでなく、他の種々のエン
ジンの燃焼室内の火炎位置を検知する場合にも上述と同
様に適用され上述と同様の作用効果が得られる。

＝１９− ［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明のエンジン燃焼室内の火炎
位置検知装置によれば、エンジンの燃焼室内で発生する
火炎の像を同火炎の存在位置に応じた上記燃焼室外の適
当な位置に結像しうる凸レンズを、上記燃焼室の壁部に
設け、この凸レンズにより上記燃焼室外に結像される上
記火炎の像の位置を上記燃焼室内における上記火炎の存
在位置として検知する検知手段を設けるという極めて簡
素な構成により、燃焼室内の火炎の存在位置を検知する
ことが可能になり、検知した火炎の存在位置に基づいて
燃焼室内の燃焼状態を詳細に把握できるほか、ブレイグ
ニションや自着火によるノッキングを判別することも可
能で、その判別結果に基づき点火時期等を制御すること
により、きめの細かいエンジン制御を実現できる効果も
ある。

【図面の簡単な説明】

第１〜５図は本発明の第１実施例としてのエンジン燃焼
室内の火炎位置検知装置を示すもので、第１図はその概
略構成図、第２図は本実施例の装置により検知した火炎
存在位置を筒内圧および熱発生率と対応させて示す図、
第３〜５図はいずれもその具体的な利用例を説明するた
めのフォトダイオード受光信号のタイミングチャートで
あり、第６図は本発明の第２実施例としてのエンジン燃
焼室内の火炎位置検知装置を示す概略構成図、第７図は
本発明の第３実施例としてのエンジン燃焼室内の火炎位
置検知装置を示す概略構成図、第８〜１１図は本発明の
第４実施例としてのエンジン燃焼室内の火炎位置検知装
置を示すもので、第８図はその概略構成図、第９図はそ
のフォ１〜ダイオードアレイの平面図、第１０．１１図
はいずれもその作用を説明するためのフォ１〜ダイオー
ド出力例を示すグラフであり、第１２図は従来の燃焼光
検知装置を示す概略構成図である。 １・−・燃焼室の壁部、１ａ−開口、２−・・凸レンズ
、３−半透明ロッド、４−高指向性１次元フォ１〜ダイ
オードアレイ（検知手段）、４Ａ−円環状フォトダイオ
ードアレイ（検知手段）、５−計測器（検知手段）、６
・・・点火プラグ、７−マスク、８・・・燃焼室、１０
〜１７・・−フォトダイオード、２０〜２７−光ファイ
バ、３０〜３７−・球面レンズ、４０〜４７−−−円環
状フォトダイオード、Ｌ・−・光軸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの燃焼室内で発生する火炎の像を同火炎の存在
   位置に応じた上記燃焼室外の適当な位置に結像しうる凸
   レンズが上記燃焼室の壁部に設けられるとともに、上記
   凸レンズにより上記燃焼室外に結像される上記火炎の像
   の位置を上記燃焼室内における上記火炎の存在位置とし
   て検知する検知手段が設けられたことを特徴とする、エ
   ンジン燃焼室内の火炎位置検知装置。