JP5963087B2 - 計測器具、計測システム、及び計測方法 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関を分析するための計測に使用する計測器具に関する。

従来から、内燃機関を分析するために様々な計測器具が存在している。例えば、非特許文献１には、内部空間が内燃機関の副燃焼室となる計測用容器が記載されている。副燃焼室は、内燃機関の主燃焼室の側壁の連絡孔を介して主燃焼室に接続されている。副燃焼室には、ピストンの運動により強い噴流が導入され、強い流動に伴う流れ場が形成される。副燃焼室のガスの流れ場は、可視化手法を用いて計測される。

第１１回内燃機関シンポジウム講演論文集（１９９３）,ｐｐ．１０９−１１４

しかし、従来の計測器具は、内燃機関の外側空間のうち、空間的な制約が大きい主燃焼室の側方に設置する必要がある。そのため、内燃機関に対して計測器具を取り付けることが困難であった。

このような点を鑑みて、本開示は、内燃機関に対して取り付け容易な計測器具を提供する。

本開示における計測器具は、計測対象ガスが流入する計測対象室と、計測対象ガスを計測対象室に導入する導入通路とが形成された計測用容器と、プラグホールが燃焼室に開口する内燃機関においてプラグが取り付けられていない状態のプラグホールに導入通路を接続する接続構造とを備えている。

また、本開示における計測方法は、計測対象ガスが流入する計測対象室と、計測対象ガスを計測対象室に導入する導入通路とが形成された計測用容器を用いた計測方法であって、内燃機関においてプラグが取り付けられていない状態のプラグホールに、計測用容器の導入通路を接続して、プラグホール及び導入通路を介して内燃機関の燃焼室と計測対象室とを繋ぐ準備ステップと、準備ステップ後に内燃機関を運転させて、プラグホール及び導入通路を通って計測対象室へ導入される燃焼室のガスを計測対象ガスとして計測する計測ステップとを備えている。

本開示における計測器具は、内燃機関の外側空間において空間的な制約が小さい領域に、計測器具を設置することができる。そのため、内燃機関に対する計測器具の取り付けを容易にすることができる。

実施形態の計測システムの計測器具を示す概略構成図 実施形態の計測用容器の点火プラグの位置における縦断面図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

本実施形態は、本発明に係る計測器具３０を備えた計測システム１０である。計測器具３０は、本発明の一例である。以下では、計測器具３０及び計測システム１０について説明する前に、内燃機関２０について説明する。図１は、計測システム１０の計測器具３０を正面から見た概略構成図である。図２は、計測器具３０の計測用容器３１の点火プラグ４５の位置における縦断面図である。図２は、図１に示す計測用容器３１を上下方向に計測対象室３４に対して垂直に切断した縦断面図である。

−内燃機関−
内燃機関２０は、図１に示すように、レシプロタイプの内燃機関である。内燃機関２０は、シリンダヘッド２１とシリンダ２２とピストン２３とを備えている。シリンダ２２は、シリンダブロック（図示省略）に形成されている。シリンダ２２内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。シリンダヘッド２１、シリンダ２２及びピストン２３は、燃焼室２４を区画している。シリンダ２２内においてシリンダ２２の軸方向にピストン２３が往復運動すると、ピストン２３の往復運動がコネクティングロッド（図示省略）により回転運動に変換される。

シリンダヘッド２１には、点火プラグを取り付けるためのプラグホール２５が形成されている。プラグホール２５の内端は燃焼室２４に開口している。また、シリンダヘッド２１には、燃焼室２４に開口する吸気ポート２６及び排気ポート２７が形成されている。吸気ポート２６には、吸気バルブ２８とインジェクター（図示省略）とが設けられている。一方、排気ポート２７には、排気バルブ２９が設けられている。

−計測システム−
計測システム１０は、計測器具３０と計測装置５０とを備えている。計測システム１０は、内燃機関２０の燃焼室２４の状態に近い計測環境を提供するためのものである。

計測器具３０は、計測用容器３１と接続構造３２とを備えている。計測用容器３１には、計測対象ガスが流入する計測対象室３４と、計測対象ガスを計測対象室３４に導入する導入通路３５とが形成されている。一方、接続構造３２は、内燃機関２０において点火プラグが取り付けられていない状態のプラグホール２５に導入通路３５を接続する構造である。計測器具３０についての詳細は後述する。

計測装置５０は、ガスの流れ場を計測するためのものである。計測装置５０は、粒子画像流速計測法（ＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）法）を用いた計測装置である。なお、計測システム１０に適用できる計測装置は、本実施形態の計測装置５０に限定されない。計測装置５０は、図１及び図２に示すように、トレーサ粒子を供給する粒子供給装置５１と、レーザーシートを形成する照明装置５２と、計測対象室３４を撮影する撮影装置５３（高速度カメラ）と、撮影装置５３が撮影した画像を解析する解析装置５４とを備えている。

粒子供給装置５１は、例えば内燃機関２０の吸気ポート２６を流れる吸気空気にトレーサ粒子を供給する。照明装置５２は、計測用容器３１の計測対象室３４にレーザーシートを形成する。撮影装置５３は、計測対象室３４の流れ場を撮影する。解析装置５４は、撮影装置５３の撮影により取得された画像データに基づいて、計測対象室３４における流れ場の解析を実行し、その解析結果を出力する。

−計測器具−
計測器具３０について詳細に説明する。

計測用容器３１は、図１及び図２に示すように、いわゆる可視化チャンバーである。計測用容器３１は、例えばボルトなどによって一対の対面部材４１を互いに締結することにより構成されている。計測用容器３１では、一対の対面部材４１にそれぞれ円形の計測窓３９（例えば石英製のガラス）が設けられている。計測用容器３１では、計測窓３９の間に、円形断面の計測対象室３４が形成されている。計測対象室３４は、平坦な計測窓３９に挟まれた円柱状の空間である。また、計測用容器３１の側面には、図１に示すように、計測対象室３４にレーザーシートを導入するための光導入窓３８が設けられている。なお、計測対象室３４の形状及び計測窓３９の形状は、本実施形態の形状に限定されない。

また、計測用容器３１では、一対の対面部材４１の間に、内部空間が導入通路３５になる管状部材４２が設けられている。本実施形態では、計測用容器３１に２本の管状部材４２が設けられている。なお、管状部材４２の数は、１本であってもよいし、３本以上であってもよい。

各管状部材４２は、真っ直ぐな配管である。各管状部材４２は、一端が計測対象室３４に開口し、他端が接続構造３２の接続通路に接続される。図１では、各管状部材４２は、計測対象室３４から下方に延び、計測用容器３１の下面から突出している。また、各管状部材４２の延伸方向は、その管状部材４２の上端の位置における計測対象室３４の内周壁の接線方向に概ね一致している。２本の管状部材４２は、計測対象室３４の中心に対して左右対称に設けられている。

計測対象室３４では、２本の管状部材４２から噴出される計測対象ガスによって対向噴流が形成される。各管状部材４２から流出した計測対象ガスは、計測対象室３４の内周壁に沿って内側へ流れる。そして、各管状部材４２から流出した計測対象ガスは、計測対象室３４の上部で衝突する。

本実施形態では、各管状部材４２について、導入通路３５の流路断面積が管状部材４２の長さ方向に一定である。また、２本の管状部材４２の間で、導入通路３５の流路断面積が同じである。これにより、計測対象室３４では、タンブル崩壊過程の流れ場に類似した流れ場として、一対の強い渦に支配される流れ場を形成することができる。

なお、２本の管状部材４２の間で、導入通路３５の流路断面積を互いに異ならせてもよい。各導入通路３５の流路断面積を適切に設定することで、計測対象室３４では、スワールに類似した流れ場として、右旋回、左旋回等の１つの強い渦に支配される流れ場を形成することができる。

また、計測用容器３１には、図１及び図２に示すように、プラズマ生成装置の一種である点火プラグ４５が取り付けられている。計測用容器３１には、点火プラグ４５を取り付けるための取付構造として、容器側プラグホール４６が形成されている。容器側プラグホール４６は、計測用容器３１の上部に形成されている。計測用容器３１では、計測対象室３４の上側に、点火プラグ４５の先端が露出している。

接続構造３２について説明する。接続構造３２は、プラグホール２５側の接続用部材である２本の接続管４７と、計測用容器３１側の接続用部材である柱状部材４８とを備えている。なお、接続用部材の数は、本実施形態の数に限定されない。接続構造３２は、接続通路が形成された単一の接続用部材であってもよい。

２本の接続管４７は、図１に示すように、プラグホール２５の外端（図１における上端）に直接接続される。２本の接続管４７は、例えば、シール部材や溶接により、プラグホール２５との継ぎ目において燃焼室２４から到来したガスが漏れないように、プラグホール２５に接続される。２本の接続管４７は、上側に向かって広がり、シリンダヘッド２１の上面付近まで延びている。各接続管４７の内部空間は、プラグホール２５と導入通路３５とを繋ぐ接続通路の一部となる。

柱状部材４８は、２本の接続管４７に対応して２つの貫通孔４４が形成された柱状の部材である。各貫通孔４４は接続通路の一部となる。柱状部材４８は、各貫通孔４４が各接続管４７に直接接続されるように、シリンダヘッド２１の上面に取り付けられる。各貫通孔４４は、計測用容器３１の各管状部材４２に直接接続される。なお、上述のように導入通路３５の流路断面積を互いに異ならせてスワールに類似した流れ場を形成する代わりに、２本の管状部材４２の間で、各貫通孔４４の流路断面積をお互いに異ならせてもよい。このような柱状部材４８を複数種準備することで、計測器具３０本体の設計を変更することなく、容易に右旋回、左旋回等の複数種の流れ場を形成することができる。

本実施形態では、図１に示すように、シリンダヘッド２１の上面に、計測用容器３１を載せる板状の台座４９が設けられる。台座４９には、柱状部材４８を収容する貫通孔３７が形成されている。台座４９における貫通孔３７の上端と下端とはそれぞれシール部材４０（例えばＯリング）によりシールされている。台座４９の下面は、シリンダヘッド２１の上面に対応した形状をしている。台座４９の上面は平坦面になっている。計測用容器３１は台座４９の上面に固定される。

−計測方法−
計測システム１０を用いた計測方法について説明する。計測方法は、準備ステップと、計測ステップとを備えている。

準備ステップでは、内燃機関２０において点火プラグが取り付けられていない状態のプラグホール２５に、２本の接続管４７が直接接続される。次に、柱状部材４８の各貫通孔４４が各接続管４７に接続されるように、柱状部材４８がシリンダヘッド２１の上面に取り付けられる。次に、シール部材４０が取り付けられた台座４９が、柱状部材４８を囲うように、シリンダヘッド２１の上面に載せられる。そして、各管状部材４２が柱状部材４８の各貫通孔４４に接続されるように、台座４９の上面に計測用容器３１が固定される。以上の作業により、計測用容器３１が内燃機関２０に対して取り付けられる。

準備ステップでは、以上の作業の他に、計測装置５０の設置が行われる。具体的に、内燃機関２０の吸気ポート２６に粒子供給装置５１を接続したり、計測対象室３４にレーザーシートが形成されるように照明装置５２を設置したり、計測窓３９を通して計測対象室３４を撮影できるように撮影装置５３を設置したりする等の作業が行われる。計測装置５０の設置が終了すると、照明装置５２によるレーザーの照射タイミングの設定及び撮影装置５３による撮影タイミングの設定などの計測装置５０の設定が行われる。

まず、計測対象室３４におけるガスの流れ場を計測する場合の計測ステップについて説明する。

この計測ステップでは、内燃機関２０の運転（モータリング運転）を開始させ、内燃機関２０の吸気行程において、吸気ポート２６を流れる吸気空気に粒子供給装置５１からトレーサ粒子を供給する。トレーサ粒子は、吸気空気と共に燃焼室２４に流入する。そして、圧縮行程の際に、ピストン２３により圧縮された燃焼室２４のガスと共にトレーサ粒子が、プラグホール２５、各接続管４７、柱状部材４８の各貫通孔４４及び管状部材４２を通過して、計測対象室３４に流入する。計測対象室３４の圧力は、燃焼室２４の圧力とほぼ等しくなり、燃焼室２４の圧力に同期して変化する。この圧力条件下で、２本の管状部材４２から計測対象室３４へ流入した計測対象ガスにより、計測対象室３４にはガスの流れ場が形成される。

照明装置５２は、例えば圧縮上死点の前後の所定の計測期間に亘って、所定の時間タイミング（例えば、圧縮上死点前１０度、圧縮上死点後１０度）で、レーザーを照射して計測対象室３４にレーザーシートを形成する。また、撮影装置５３は、照明装置５２のレーザーの照射タイミングに同期して、計測対象室３４を撮影する。撮影装置５３は、レーザーシート上のトレーサ粒子の散乱光を撮影する。

撮影装置５３から出力された複数の画像データは、解析装置５４のメモリに格納される。解析装置５４は、メモリに格納された複数の画像データの各々を複数の検査領域に分割し、連続する２つの撮影タイミングの画像データの各検査領域上のトレーサ粒子像から、統計的な手法を用いて、トレーサ粒子像の局所変位ベクトルを求める。そして、この局所変位ベクトルから、対応する位置のガス流速を求める。このようにして、ＰＩＶ法により、計測対象室３４の各格子点における局所流速が求められる。

次に、計測対象室３４における火炎伝播の状況を計測する場合の計測ステップについて説明する。

この計測ステップでは、内燃機関２０の吸気行程において、内燃機関２０のインジェクターから燃料が噴射される。燃焼室２４には混合気が流入される。そして、圧縮行程の際に、ピストン２３により圧縮された燃焼室２４の混合気が、プラグホール２５、各接続管４７、柱状部材４８の各貫通孔４４及び管状部材４２を通過して、計測対象室３４に流入する。そして、例えば内燃機関２０の圧縮上死点に合わせたタイミングで、点火プラグ４５に高電圧パルスを供給し、点火プラグ４５により計測対象ガスを点火する。計測対象室３４では、点火プラグ４５の近傍で着火した火炎が伝播する。撮影装置５３は、所定の時間ピッチで火炎の伝播状況を撮影する。解析装置５４は、撮影装置５３から出力された複数の画像データに基づいて、火炎の伝播状況などの解析を実行し、その解析結果を出力する。

−実施形態の効果−
本実施形態では、内燃機関２０の外側空間において空間的な制約が小さい内燃機関２０の上側に、計測用容器３１を設置することができる。そのため、内燃機関２０に対する計測用容器３１の取り付けを容易にすることができる。

また、本実施形態では、計測窓３９を有する計測用容器３１を内燃機関２０の上側に設けているため、空間的な制約が小さい位置に、撮影装置５３を容易に設置することができる。

さらに、本実施形態では、計測用容器３１が内燃機関２０の上側に設置されるため、ピストンが上死点に達しても、主燃焼室である燃焼室２４と計測対象室３４との連通が遮断されないため、内燃機関２０の燃焼室状態をより忠実に再現することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態において、計測装置は、レーザードップラー流速計（ＬＤＶ）を用いた装置であってもよい。

また、上記実施形態において、内燃機関は、グロープラグを取り付けるプラグホールが形成されたディーゼルエンジンであってもよい。この場合は、計測器具の接続構造は、内燃機関においてグロープラグが取り付けられていない状態のプラグホールに導入通路を接続する。また、この場合に、計測用容器にグロープラグ（加熱装置）を取り付けてもよい。

また、上記実施形態において、非平衡プラズマを生成するプラズマ生成装置を計測用容器に取り付けてもよい。プラズマ生成装置は、例えば、点火プラグにより生成した小さいプラズマをマイクロ波のエネルギーにより拡大する装置などを使用することができる。その場合に、マイクロ波を放射するアンテナが計測用容器に取り付けられる。
また、上記実施形態では、計測用容器に接続構造が設けられていてもよい。その場合は、計測用容器の導入通路の入口がプラグホールに直接接続可能に構成されている。

また、上記実施形態において、計測器具は、導入通路を介して燃焼室に計測対象室を接続することで死容積が増大することを考慮して、死容積を調節する調節部材を備えていてもよい。調節部材は、例えばピストンヘッドに固定される。

また、上記実施形態において、複数の導入通路の少なくとも１つには、流路断面積を部分的に縮小させる絞り部を設けてもよい。

本開示は、内燃機関を分析するための計測に使用する計測器具などに適用可能である。

１０ 計測システム
２０ 内燃機関
２４ 燃焼室
２５ プラグホール
３０ 計測器具
３１ 計測用容器
３２ 接続構造
３４ 計測対象室
３５ 導入通路
４２ 管状部材
４４ 貫通孔
４５ 点火プラグ（プラズマ生成装置）
４６ 容器側プラグホール（取付構造）
４７ 接続管
４８ 柱状部材
４９ 台座
５０ 計測装置

Claims (8)

1. 計測対象ガスが流入する計測対象室と、前記計測対象ガスを前記計測対象室に導入する導入通路とが形成された計測用容器と、
   プラグホールが燃焼室に開口する内燃機関においてプラグが取り付けられていない状態の前記プラグホールに前記導入通路を接続する接続構造とを備え、
   前記計測用容器は、前記計測対象室でプラズマを生成するプラズマ生成装置、又は前記計測対象室の前記計測対象ガスを加熱する加熱装置を取り付けるための取付構造を備えていることを特徴とする計測器具。
2. 前記取付構造は、前記プラズマ生成装置として点火プラグを取付可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の計測器具。
3. 前記接続構造は、前記内燃機関と前記計測用容器の間に配置されて前記プラグホールと前記導入通路とを繋ぐ接続通路が形成された接続用部材であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の計測器具。
4. 前記計測用容器には、前記導入通路が複数形成されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の計測器具。
5. 前記複数の導入通路には、流路断面積が互いに異なる導入通路が含まれていることを特徴とする、請求項４に記載の計測器具。
6. 前記複数の導入通路の少なくとも１つには、流路断面積を部分的に縮小させる絞り部が設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の計測器具。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の計測器具と、
   前記計測対象室の前記計測対象ガスを計測する計測装置とを備えていることを特徴とする計測システム。
8. 計測対象ガスが流入する計測対象室と、前記計測対象ガスを前記計測対象室に導入する導入通路とが形成された計測用容器を用いた計測方法であって、
   内燃機関においてプラグが取り付けられていない状態のプラグホールに、前記計測用容器の前記導入通路を接続して、前記プラグホール及び前記導入通路を介して前記内燃機関の燃焼室と前記計測対象室とを繋ぐ準備ステップと、
   前記準備ステップ後に前記内燃機関を運転させて、前記プラグホール及び前記導入通路を通って前記計測対象室へ導入される燃焼室のガスを前記計測対象ガスとして計測する計測ステップとを備えていることを特徴とする計測方法。
   

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