JPS6155312A - 往復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 この発明は、内燃機関の燃焼室の燃焼により生ずる光エ
ネルギー（以下火炎像という）を外部へ伝播して燃焼状
況を検知する往復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装置に
関するものである。

〔従来技術〕

高温高圧の燃焼室内部、例えば、ガソリン機関またはデ
ィーゼル機関等の往復動内燃機関の燃焼室等の燃料ガス
の燃焼状況の詳細、例えば燃料の流動状況、着火の時期
、火炎の伝播状況および排ガスの流れなどは不明−の点
が少なくない。

これらの因子は燃焼の効率に大きく関与するため、関係
者の間でこれについて精力的な研究がなされ、ある程度
の現象解明がなされてはいる。しかし、これらのほとん
どは模型または実験用モデル機関を用いたテストでの結
果であり、実機での詳細については依然不明の点が多い
。これは、往復動内燃機関等の燃焼室は高温、高圧ガス
の存在によって環境条件は著しい悪条件化にあり、この
悪条件が各種の計測を妨げているからである。

最近、各種のデータ伝送、医学において人体内部の目視
などに用いられつつある光ファイバあるいは長柱石英ガ
ラス棒のうちある種類のものは光透過性や耐高圧性に優
れ、かつ、ある程度の高温にも耐えるだけでなく、各種
の外部からの雑音等に極めて強く、しかも小径のものに
ついては、可撓性に富むなどの優れた特性を有する。

したがって、これらの光伝播材（以下光ファイバという
）を燃焼室の隔壁付近に設置し、燃焼室内で燃焼時に発
生する火炎像を何等かの手段で光ファイバに入射せしめ
、外部に伝送すれば、たとえ部分的ではあっても燃焼室
内の現象が解明されるだけでなく、火炎像の状況などを
検知できる。

これは、火炎像は高温で輝度を有し、あるいは高いレベ
ルの赤外線を放射するため、火炎像の存在、またはその
発生状況が光ファイバを通じて容易に外部へ伝送できる
からである。

一方、このような情報の伝送手段として光ファイ／へを
用いることは非常に便宜であるが、光ファイ／へは極め
てぜい弱な物質である０通常、この欠点を補うために光
ファイバの周囲を樹脂被１模等で覆い、強度の保持と可
撓性を確保している場合が多い。

しかし、この樹脂被膜等も燃焼室内のような高温部では
燃焼、または高圧ガスの影響を受けて破損する恐れがあ
り、樹脂被膜等を施すことができない、したがって、燃
焼室と、隔壁の貫通孔付近に光ファイバを設置する場合
は、樹脂被膜等がない状態で挿通するか、あるいはこれ
らの被覆が破損しない場所に設置しなければならず、特
別の措置を必要とする等の問題があった。

〔発明の概要〕

この発明は、上記の点にかんがみなされたもので、往復
動内燃機関の火炎像を外部へ伝播して燃焼状況を検知す
るため往復動内燃機関の隔壁に貫通孔を形成し、この貫
通孔に透視窓を隔壁の燃焼室側に設け、隔壁の外部側に
は透視窓を透過した火炎像を入射させて受光素子へ伝播
する光ファイバを設けて燃焼室内の火炎像を外部から検
知できるようにしたものである。以下この発明を図面に
ついて説明する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す概要構成図で、燃焼
状況検知装置を往復動内燃機関に取り付けた場合を示す
。この図において、１は往復動内燃機関の一部を示した
ものである。２は燃焼室。

３は前記燃焼室２の隔壁、４は前記隔壁３に形成した貫
通孔、５は前記貫通孔４に設けられ燃焼室２の燃焼状況
を検知する検知装置の全体を示す。

第２図は第１図の要部を拡大して示した側断面図で、第
１図と同一符号は同一部分を示し、６は前記隔壁３を冷
却するための水ジャケットである。検知装置５において
、１１は透視窓で、図示のものはレンズが使用された場
合で、燃焼室２内の火炎像を透過し集光するものである
ため耐熱性、耐圧性を有する材料、例えば人工サファイ
アを素材として形成されている。１２は前記透視窓１１
が装着された取付金具で、螺合により隔壁３に取り付け
る。１３は前記透視窓１１を取付金具１２に気密に固着
する固着剤で、耐熱性で気密性を有している。１４は火
炎像を受光し、これを外部へ伝播する受光装置全体を示
すもので、その詳細を第３図に示す。

すなわち、第３図は第２図の受光装置１４を拡大して示
したもので、１５は金属製の筒状をなす保持金具で、先
端側にテーパ面１６が設けである。１７は固定部材で、
保持金具１５の先端に溶接等で固定される。１８は保護
管で、保持金具１５の基部に溶接等により固着される。

１９は光ファイバで、樹脂またはクラッドで覆われたも
のについはその中心に光フアイバ素線がある。

光ファイバ１９が保持金具１５．保護管１８等で覆われ
た部分の要部において、さらに、前後２つの保護シース
２０　、２１で２重に覆われているのは、製作時などの
際、特に小径の光フアイバ１９等に対し、わずかの応力
が作用ルて破損するのを防ぐためである。

この光ファイバ１９は保持金具１５の中心を貫通するよ
うに挿入され、先端部分は光ファイバ１９（クラッドで
覆われたものについては光フアイバ素線）が露出してお
り、これが固定部材１７内に位置し、耐熱性の固定材２
２により気密に固着される。また、光ファイバ１９の外
周と保持金具１５の内面との間に耐熱性の充填材２３が
充填され、さらに、保護管１８内の光ファイバ１９は耐
熱性の固定材２２で固定される。２４は光の入射面で透
視窓１１の後方に位置している。２５は光の射出側を示
す、２６は前記保持金具１５が取り付けられた取付金具
で、特殊工具等を用い隔壁３に螺合により気密に取り付
けられている。

取付金具２６には取り付けられるべき保持金具１５の中
心線と同心の中心線を有する取付金具２６を貫通した取
付孔２７が設けられており、この取付孔２７には平滑な
テーパ面２８が形成され、さらに取付孔２７の外部側は
ねじ穴２９となっている。３０は取付ねじで、中央の貫
通孔３１に保持金具１５の後端が当接する段部３２が形
成され、さらに、ねじ部３３が設けられ、これが取付金
具２６のねじ穴２９に螺合する。

再び第２図において、３４は前記光ファイバ１９のコネ
クタ、３５は前記コネクタ３４．３４を接続するアダプ
タ、３６は受光素子である。なお、１９Ａは前記受光素
子３６を往復動内燃機関１の熱影響を受けない位置に設
定するための延長用の光ファイバで、コネクタ３４を介
して複数本を直列に接続することができる。

次に、第２図および第３図における動作について説明す
る。

燃焼室２内の火炎像は透視窓１１に入射透過してから、
光ファイバ１９の入射面２４に入射される。光フアイバ
１９内に入射した火炎像は途中のアダプタ３５．コネク
タ３４等を介し、光ファイバ１９Ａへ伝播し、受光素子
３６に受光され電気的出力に変換される。

なお、第２図の実施例では、隔壁３内部に水ジャケット
６を設置してあり、このため、光ファイバ１９の入射面
２４は外側の隔壁３の内方にあっても、燃焼室２の間近
外方の高温状態にある隔壁３の外方に位置することにな
るため、光ファイバ１９に対する熱負荷が少なくなるこ
ともこの実施例の特徴である。

第４図はこの発明の他の実施例を示す要部の拡大側断面
図で、第１図〜第３図と同一符号は同一構成を示し、４
１は前記透視窓１１と受光装置１４とが一体に取り付け
られた取付金具で、透視窓１１と受光装置１４との間に
は透孔部４２が形成されている。そして、この透孔部４
２は透視窓１１と受光装置１４とにより気密に封止され
、透孔部４２の空間部は真空にしたり、あるいは不活性
ガスを封入して防熱、防錆している。４３は前記隔壁３
に形成した貫通孔で、めねじ４３ａが形成され、取付金
具４１に形成したおねじ４１ａを螺合して取付金具４１
により封止されている。また光ファイバ１９の入射面２
４の位置を隔壁３の外面３ａより少なくとも外方へ設定
することにより光ファイバ１９の高温による損傷がない
ようにしているが、この方法は、光ファイバ１９を燃焼
室２の間近外方の隔壁３より外方に設置するという考え
方に基づく点については第２図の実施例と同一である。

また、入射角θは光ファイバ１９の入射面２４に対する
最大入射角であり、本角度線のぼ長線が透視窓１１の有
効入射直径ｄの内方となるように、つまり、透視窓１１
の有効入射直径ｄが少なくとも光ファイバ１９の入射面
の最大入射角線上よりも外方となるように設定して、後
述のように取付金具４１自体の帯熱に伴う赤外散乱光の
入らないようにしている。

このように、透視窓１１と光ファイバ１９とをあらかじ
め取付金具４１で一体に固着させた後、取付金具４１を
隔壁３の貫通孔４３に会合により気密に固着すれば、透
視窓１１の焦点の調整、透孔部４２の真空保持、不活性
ガスの封入１組立作業を容易に行うことができる。

＠４図の実施例においては、光ファイバ１９で検知する
火炎像の温度レベルが低いもの、すなわち、火炎像が波
長の長い赤外線である場合に、取付金具４１等付近の物
体自体が高温化することによって発生させる赤外線を光
ファイバ１９が集光すると、外乱によりいわゆる燃焼レ
ベルのＳＮ比が低下して問題となるが、このような対策
として先に述べたように光ファイバ１９によって既知で
ある開口数ＮＡに応じて定められる最大入射角θの延長
線上の範囲に高温時にレベルの高い赤外線の放射を射出
する可能性のある物体（第４図においては取付金具４１
）がないように配慮されているので、光ファイバ１９に
は透視窓１１から入射する光のみが限定して集光される
。しかも透視窓１１に人工サファイアを用いた場合には
透視窓１１が高温化しても透視窓１１自体が放射する赤
外線のレベルは金属等に比べると著しく低く、外乱の影
響排除に顕著なる効果が期待できる。

第４図のような方法を採ることにより燃焼室２の高温部
に直接突出させて火炎像を入射せしめ、外部へ伝播する
ことに種々の難点がある光ファイバ１９に対する問題点
の多くは解消される。すなわち、往復動内燃機関の燃焼
が光ファイバ１９に悪影響を与えるような高温となるの
は燃焼期間のうちのごく限られた時間であって、この期
間のみに限って石英等からなる耐熱性の優れた光ファイ
バ１９を高温から保護するためには人工サファイア等で
カバーすれば十分である。さらに人工サファイアは、石
英より耐熱性や固さが優れているだけでなく、光のうち
特に赤外域の光に対しての透過性に優れている。

なお、受光装置１４内部に光ファイバ１９を固着する方
法については、透視窓１１の外方に不活性ガスを封入す
ることにより気密に保持する必要がなく、あるいは、受
光装置１４内部の熱負荷が大きくない場合には、より簡
易な方法、例えば、通常の封着剤等で光ファイバ１９を
固着することにより透視窓１１との関係位置を定めるこ
ととしてもよい、さらに、光ファイバ１９へ入射させる
火炎像のレベルが高く、透視窓１１に集光機能を付与す
る必要のない場合には、これを平面の窓としてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明は、往復動内燃機関の燃焼
室の隔壁に燃焼室で発生した火炎像を伝播する貫通孔を
形成し、火炎像を透過させる透視窓を貫通孔側の燃焼室
側に気密に設け、この透視窓を透過した火炎像を入射さ
せる光ファイバを貫通孔の燃焼室と反対側に固着したの
で、燃焼室の火炎像を十分に集光できる。

また、この発明は、貫通孔に火炎像を伝播する透孔部を
形成した取付金具を装着し、透孔部に火炎像を通過させ
る透視窓を燃焼室側に気密に設け、透視窓を透過した火
炎像を入射させる光ファイバを燃焼室と反対側に％密に
封止したので、隔壁と別個に取付金具を構成できるので
、この取付金具の空間部内を真空にしたり、不活性ガス
を封入でき、したがって、透孔部内部の断熱効果と防錆
効果が得られる。また、透視窓を人工サファイアで形成
したので、透視窓の耐熱性が向上し、赤外線の透過が良
くなる。さらに、透視窓を集光レンズ形に形成し、かつ
焦点が光ファイバの入射面となるように形成したので、
火炎像の集光機能が向上し、また、透視窓の有効入射外
径が少なくとも光ファイバの入射面の最大入射角線上よ
りも外方となるように設定したので、燃焼室における燃
焼レベルの外乱を排除して正確に把握することができる
。さらに、光ファイバの入射面を少なくとも燃焼室間近
外方の隔壁の外面よりも外方に設定したので、光ファイ
バの高温による損傷を防止できる。また、光ファイバを
コネクタにより複数本を直列に接続するようにしたので
、受光素子を往復動内燃機関の熱影響を受けない位置に
設定することができる等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す概略構成図、第２図
は第１図の要部を拡大して示した側断面図、第３図は第
２図の受光装置部分の詳細を示す拡大側断面図、第４図
はこの発明の他の実施例を示す要部の拡大側断面図であ
る。 図中、１は往復動内燃機関、２は燃焼室、３は隔壁、４
は貫通孔、５は検知装置、６は水ジャケット、１１は透
視窓、１２は取付金具、１３は固着剤、１４は受光装置
、１５は保持金具、１９．１９Ａは光ファイバ、２４は
入射面、２６は取付金具、２７は取付孔、３０は取付ね
じ、３３はねじ部、４１は取付金具、４２は透孔部、４
３は貫通孔である。 第１図 第２図

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）往復動内燃機関の燃焼室の隔壁に前記燃焼室で発
   生した火炎像を外部に伝播する貫通孔を形成し、前記火
   炎像を透過させる透視窓を前記貫通孔側の燃焼室側に気
   密に設け、この透視窓を透過した火炎像を入射させる光
   ファイバを前記貫通孔の前記燃焼室と反対側に固着した
   ことを特徴とする往復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装
   置。
2. （２）透視窓は集光レンズ形に形成され、かつ前記透視
   窓の焦点が光ファイバの入射面であることを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の往復動内燃機関燃焼室
   の火炎像検知装置。
3. （３）透視窓の有効入射直径が少なくとも光ファイバの
   入射面の最大入射角線上よりも外方となるように設定し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の往
   復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装置。
4. （４）光ファイバの入射面が少なくとも燃焼室間近にあ
   る隔壁の外面よりも外方に設定したことを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の往復動内燃機関燃焼室の
   火炎像検知装置。
5. （５）往復動内燃機関の燃焼室の隔壁に貫通孔を形成し
   、この貫通孔に前記燃焼室で発生した火炎像を外部に伝
   播する透孔部を形成した取付金具を装着しこの取付金具
   の前記透孔部に前記火炎像を通過させる透視窓を前記燃
   焼室側に気密に設け、この透視窓を透過した火炎像を入
   射させる光ファイバを前記透孔部の前記燃焼室と反対側
   に気密に設け、さらに前記透視窓と前記光ファイバを気
   密に封止した部分との間の空間部を真空にするかまたは
   不活性ガスを充填したことを特徴とする往復動内燃機関
   燃焼室の火炎像検知装置。
6. （６）透視窓は人工サファイアで形成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第（５）項記載の往復動内燃機関燃
   焼室の火炎像検知装置。
7. （７）透視窓は集光レンズ形に形成され、かつ前記透視
   窓の焦点が光ファイバの入射面であることを特徴とする
   特許請求の範囲第（５）項記載の往復動内燃機関燃焼室
   の火炎像検知装置。
8. （８）透視窓の有効入射直径が少なくとも光ファイバの
   入射面の最大入射角線上よりも外方となるように設定し
   たことを特徴とする特許請求の範囲第（５）項記載の往
   復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装置。
9. （９）光ファイバの入射面が少なくとも燃焼室間近にあ
   る隔壁の外面よりも外方に設定したことを特徴とする特
   許請求の範囲第（５）項記載の往復動内燃機関燃焼室の
   火炎像検知装置。
10. （１０）光ファイバはコネクタを介して複数本が直列に
    接続されたことを特徴とする特許請求の範囲第（５）項
    記載の往復動内燃機関燃焼室の火炎像検知装置。