JP2011058890A

JP2011058890A - 燃焼室観測装置

Info

Publication number: JP2011058890A
Application number: JP2009207339A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 温渡辺; Koji Morikawa; 弘二森川
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】専用の機構を用いることなく、高温・高圧場での燃料噴霧を好適に観測することができる燃焼室観測装置を提供する。
【解決手段】観測用の燃料噴射を行う前に燃焼室２１内に導入した混合気の燃焼によって燃焼室２１内の高温・高圧場の形成を行うことにより、ピストンによる直接的な圧縮等に頼ることなく高温・高圧場を形成する。しかも、混合気の燃焼によって燃焼室２１内の酸素が消費されるため、形成された高温・高圧場で噴射された観測用燃料（ディーゼル燃料）の自着火等による燃焼を的確に防止する。これにより、専用の機構を用いることなく、高温・高圧場での燃料噴霧状態の好適な観測を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に噴射された燃料の噴霧状態を観測する燃焼室観測装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等のエンジンにおいては、燃焼室内に直接噴射された燃料の噴霧状態が大きな意味を持つ。このため、この種のエンジンにおいては、実際の燃焼室と同等の所定の環境下で燃料噴射弁（インジェクタ）から噴射される燃料の噴霧状態を正確に把握することが要求されている。

このような噴霧状態を観測するための技術として、例えば、特許文献１には、ピストン頂部に設けた石英ガラスを通してレーザービームを下方から入射させ、上部反射鏡で照射方向を調整して燃焼室内の燃料を照らすことにより、シリンダブロックに窓を設けることなく燃焼室内の観測系を構成することを可能とし、ディーゼルエンジンに要求される圧縮比等を忠実に再現する技術が開示されている。

特開平１０−１４２１０６号公報

しかしながら、一般に、ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジン等に比べて圧縮比等が高く、上述の特許文献１の技術において、実機に即した燃料噴射時の筒内環境（高温・高圧場）等を形成するためには、ガソリンエンジン用の機構とは別に、ディーゼルエンジン専用の機構を別途用意する必要がある。

その一方で、燃料噴射時の筒内環境として、単純にディーゼルエンジンと同等の高温・高圧場を形成した場合、筒内噴射された燃料は圧縮自着火によって燃焼されてしまうため、所望する燃料噴霧の観測を好適に行うことが困難となる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、専用の機構を用いることなく、高温・高圧場での燃料噴霧を好適に観測することができる燃焼室観測装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃焼室が可視化された試験機の前記燃焼室内で混合気を燃焼させる燃焼制御手段と、前記混合気の燃焼によって酸素が消費された前記燃焼室内に観測用燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の燃焼室観測装置によれば、専用の機構を用いることなく、高温・高圧場での燃料噴霧を好適に観測することができる。

燃焼室観測装置の概略構成図燃焼室観測制御ルーチンを示すフローチャート燃焼室内の圧力（筒内圧）の推移と各制御タイミングを示すタイミングチャート点火タイミングと燃焼室内の温度（筒内温度）との関係を示す図表試験機の変形例を示す要部断面図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は燃焼室観測装置の概略構成図、図２は燃焼室観測制御ルーチンを示すフローチャート、図３は燃焼室内の圧力（筒内圧）の推移と各制御タイミングを示すタイミングチャート、図４は点火タイミングと燃焼室内の温度（筒内温度）との関係を示す図表、図５は試験機の変形例を示す要部断面図である。

図１に示す符号１はエンジンの燃焼室観測装置であり、本実施形態において、この燃焼室観測装置１は、例えば、単気筒のＤＯＨＣ４サイクルガソリンエンジンをベースとする試験機５を中心として要部が構成されている。

試験機５の気筒を構成するシリンダライナ１０は、例えば、高剛性を有するサファイア製の透明ライナで構成され、基部側が金属製のシリンダブロック６に保持されている。

また、シリンダライナ１０の先端部にはシリンダヘッド７が設けられている。シリンダヘッド７は、例えば、ペントルーフ型の凹部を底面に有し、この凹部は、シリンダライナ１０内を摺動するピストン２０との間に燃焼室２１を形成する。燃焼室２１には、シリンダヘッド７の凹部に開口する吸，排気ポート１１ａ，１１ｂが連通され、これら吸，排気ポート１１ａ，１１ｂは、動弁機構１３によって動作する吸，排気弁１２ａ，１２ｂによって開閉される。

試験機５の吸気系として、シリンダヘッド７の吸気ポート１１ａには吸気通路１６が連通され、この吸気通路１６の中途には電子制御式のスロットル弁１７が介装されている。また、スロットル弁１７よりも下流側において、吸気通路１６の中途には、ガソリン燃料を噴射するためのガソリン用インジェクタ１８が固設され、そのノズルが吸気弁１２ａに指向した状態で吸気通路１６内に臨まされている。そして、ガソリン用インジェクタ１８からガソリン燃料が噴射されることにより、吸気通路１６内に混合気（予混合気）が形成され、形成された混合気は、吸気弁１２ａの開弁時に燃焼室２１内に導入される。

一方、試験機５の排気系として、シリンダヘッド７の排気ポート１１ｂには排気通路１９が連通され、この排気通路１９の中途には、図示しない触媒コンバータ等が介装されている。

ピストン２０は、観察用の開口部２０ａを中央に有し、この開口部２０ａには、例えば、サファイア製の透明板２４が嵌合されている。また、ピストン２０の基部側には、環状のスペーサ２５が締結され、このスペーサ２５によって、透明板２４が開口部２０ａ内に保持されている。

さらに、スペーサ２５の基部には、ピストン２０と一体にシリンダブロック６内を進退移動するエクステンション部材２６が連結され、このエクステンション部材２６の基部には、コネクティングロッド３０を介してクランク軸３１が連結されている。

ここで、エクステンション部材２６は、例えば、有底の略円筒部材で構成され、このエクステンション部材２６の基部側の周壁には、シリンダブロック６に開口された観察用窓６ａに対応する開口部２６ａが設けられている。さらに、エクステンション部材２６の内部には、開口部２６ａ及びピストン２０の透明板２４に対して共に傾斜した状態で対向する反射鏡２７が配設されている。そして、この反射鏡２７を通じて開口部２６ａ側と透明板２４側とが光学的に結ばれることにより、観察用窓６ａを通じた燃焼室２１内の観察が可能となっている。

また、クランク軸３１の近傍には、駆動用モータ３５が配設されている。この駆動用モータ３５は、クランク軸３１に固設されたクランクプーリ３２、動弁機構１３の吸，排気カム軸１４ａ，１４ｂに固設された吸，排気カムプーリ１５ａ，１５ｂ等にタイミングベルト３６を介して連結され、クランク軸３１と吸，排気カム軸１４ａ，１４ｂとを２対１の回転角度で回転させることが可能となっている。そして、これら各カム軸１４ａ，１４ｂの回転に基づいて、吸，排気弁１２ａ，１２ｂが所定のタイミングで吸，排気ポート１１ａ，１１ｂを開閉する。

ここで、観測用燃料であるディーゼル燃料（軽油）を燃焼室２１内に噴射するため、本実施形態の試験機５は、ディーゼル用インジェクタ４０をシリンダヘッド７に有する。このディーゼル用インジェクタ４０は、例えば、点火プラグに代えて、吸気ポート１１ａと排気ポート１１ｂとの間の領域に配設され、そのノズルが燃焼室２１内に臨まされている。

また、ディーゼル用インジェクタ４０の配置に伴って点火プラグを省略した場合にも、吸気通路１６側から燃焼室２１内に導入されたガソリン燃料の混合気を点火可能とするため、本実施形態の試験機５は、例えば、混合気に点火エネルギーを付与するためのレーザ装置４１を有する。このレーザ装置４１は燃焼室２１の外部に配置され、可視化されたシリンダライナ１０を介して燃焼室２１内にレーザ光を照射することで、混合気の点火を実現する。

また、燃焼室２１内に噴射されたディーゼル燃料の噴霧を撮像するため、シリンダライナ１０及び観察用窓６ａには、撮像手段としての高感度カメラ４２，４３が対向配置されている。

なお、本実施形態において、試験機５は、製造コスト等を有効に低減するため、実機として量産される４サイクルガソリンエンジン等のパーツを可能な限り転用して構成されることが望ましい。

このような試験機５を制御する制御部５０は、例えば、コンピュータシステム等を中心として要部が構成されている。この制御部５０には、図示しない操作入力部等を通じてオペレータによる設定情報等が入力されると共に、クランク角センサ５１等からの検出信号が入力される。

そして、観測用燃料の観測開始が指示されると、制御部５０は、例えば、駆動用モータ３５を駆動して所定回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）で試験機５を駆動し、ガソリン燃焼を用いた混合気の燃焼室２１内での燃焼制御を開始する。

すなわち、制御部５０は、クランク角センサ５１からの信号に基づく設定タイミング（例えば、図３（ｂ）参照）でガソリン用インジェクタ１８を駆動することにより、ガソリン燃料のポート噴射を行い、混合気を形成する。そして、制御部５０は、クランク角センサ５１からの信号に基づく設定タイミング（例えば、図３（ｃ）参照）でレーザ装置４１を駆動することにより、燃焼室２１内に導入された混合気を燃焼させる。その際、制御部５０は、スロットル弁１７の制御を通じて、燃焼室２１内に導入された混合気の圧縮直前の圧力を制御することにより、混合気の燃焼によって上昇する筒内圧を制御する。例えば、図３（ａ）には、圧縮比が１０．６に設定された試験機５の圧縮直前圧力と筒内圧との関係が例示されており、この試験機５では、スロットル開度の設定を全開とすることにより、ディーゼルエンジン（実機）に設定され得る燃料噴射時の筒内圧（例えば、３〜１０ＭＰａ）と同等の筒内圧を、混合気の燃焼によって再現することが可能となる。なお、試験機５の圧縮比は、例えば、スペーサ２５のチューニング等によって変更可能であり、圧縮比を上昇させることにより、混合気の燃焼による筒内圧を更に上昇させることも可能である。また、例えば、図４に示すように、混合気の燃焼によって上昇する筒内温度は、混合気の点火タイミングを可変設定することにより制御することが可能である。このように、本実施形態において、制御部５０は、燃焼制御手段としての機能を有し、このような燃焼制御を通じて、ディーゼルエンジンの燃料噴射時と同等の高温・高圧場を再現する。

また、制御部５０は、混合気の燃焼によって高温・高圧場となり、且つ、酸素が消費された燃焼室２１内に、設定タイミング（本実施形態においては、点火後から排気前の間の所定タイミング（図３（ｄ）参照））でディーゼル用インジェクタ４０を駆動することにより、観測用燃料を燃焼室２１内に直接噴射する。そして、酸素が消費されたタイミングで、燃焼室２１内に試験用燃料が噴射されることにより、当該試験用燃料は、高温・高圧場であっても、自着火等によって燃焼することなく、燃焼室２１内を拡散する。このように、本実施形態において、制御部５０は、燃料噴射制御手段としての機能を有する。

そして、制御部５０は、燃焼室２１内に噴射された観測用燃料の噴霧を、各高感度カメラ４２，４３を通じて撮像することにより、燃焼室２１内での観測を実現する。

次に、制御部５０によって実行される燃焼室観測制御について、図２に示す燃焼室観測制御ルーチンのフローチャートに従って説明する。図示しない操作入力部等から開始信号が入力されてこのルーチンがスタートすると、制御部５０は、ステップＳ１０１において、駆動用モータ３５を駆動して試験機５を設定回転数で駆動し、続くステップＳ１０２において、高感度カメラ４２，４３による燃焼室２１内の撮像を開始する。

ステップＳ１０２からステップＳ１０３に進むと、制御部５０は、燃焼室観測制御の終了指示がなされたか否かを調べ、終了指示がなされていない場合には、ステップＳ１０４に進む。

そして、制御部５０は、ステップＳ１０４において、スロットル弁１７を予め設定されたスロットル開度（すなわち、所望の筒内圧を実現すべく予め設定されたスロットル開度）に制御し、続くステップＳ１０５において、クランク角センサ５１で検出されたクランク角を読み込む。

ステップＳ１０５からステップＳ１０６に進むと、制御部５０は、現在のクランク角に基づき、ガソリン燃料をポート噴射すべきタイミング（ポート噴射タイミング）であるか否かを調べ、ポート噴射タイミングでないと判定した場合、ステップＳ１０８にジャンプする。

一方、ステップＳ１０６において、ポート噴射タイミングであると判定した場合、制御部５０は、ステップＳ１０７に進み、ガソリン用インジェクタ１８を駆動した後、ステップＳ１０７に進む。これにより、ガソリン燃料が吸気通路１６内に噴射されて混合気が形成される。

ステップＳ１０６或いはステップＳ１０７からステップＳ１０８に進むと、制御部５０は、現在のクランク角に基づき、燃焼室２１内の混合気に対する点火タイミングであるか否かを調べ、点火タイミングでないと判定した場合、ステップＳ１１０にジャンプする。

一方、ステップＳ１０８において、点火タイミングであると判定した場合、制御部５０は、ステップＳ１０９に進み、レーザ装置４１を駆動した後、ステップＳ１１０に進む。これにより、燃焼室２１内に導入されている混合気に点火エネルギーが付与され、燃焼される。

ステップＳ１０８或いはステップＳ１０９からステップＳ１１０に進むと、制御部５０は、現在のクランク角に基づき、試験用燃料を燃焼室２１内に直接噴射するタイミング（筒内噴射タイミング）であるか否かを調べ、筒内噴射タイミングでないと判定した場合、そのままステップＳ１０３に戻る。

一方、ステップＳ１１０において、筒内噴射タイミングであると判定した場合、制御部５０は、ステップＳ１１１に進み、ディーゼル用インジェクタ４０を駆動した後、ステップＳ１０３に戻る。これにより、試験用燃料（ディーゼル燃料）が燃焼室２１内に直接噴射される。

また、ステップＳ１０３において、燃焼室観測制御の終了指示がなされていると判定した場合、制御部５０は、ステップＳ１１２に進んで駆動用モータ３５を停止し、続くステップＳ１１３において、高感度カメラ４２，４３による燃焼室２１内の撮像を終了した後、ルーチンを抜ける。

このような実施形態によれば、観測用の燃料噴射を行う前に燃焼室２１内に導入した混合気の燃焼によって燃焼室２１内の高温・高圧場の形成を行うため、ピストンによる直接的な圧縮等によって高温・高圧場を形成する必要がない。しかも、混合気の燃焼によって燃焼室２１内の酸素が消費されるため、形成された高温・高圧場で噴射された観測用燃料（ディーゼル燃料）の自着火等による燃焼が的確に防止される。従って、高温・高圧場での燃料噴霧状態を好適に観測することができる。加えて、ディーゼル燃料の燃焼が防止されるため、高温・高圧場からの更なる筒内圧の上昇を防止することができ、試験機の剛性を必要以上に高く設定する必要がない。従って、ディーゼルエンジン等の実機に要求されるレベルの剛性を試験機５に付与する必要がなく、ディーゼルエンジン専用の新たな機構を用いることなく、ガソリンエンジン等の試験機をそのまま流用して噴霧観測を行うことができる。

ここで、上述の実施形態においては、実機のガソリンエンジンをベースとする試験機５を用いて燃焼室観測装置１を構成した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、試験用燃料の噴射前に混合気の燃焼によって燃焼室内の酸素を消費しつつ高温・高圧場を形成し得る各種構成の試験機を適用することが可能である。

例えば、図５に示す試験機６０は、エンジンの圧縮行程から燃焼行程までを擬似的に再現する急速圧縮装置をベースとするものであり、この試験機６０は、例えば、可視化された擬似的な燃焼室６１ａ内に観測用燃料を噴射するインジェクタ６１ｂが臨まされた燃焼ユニット６１と、シリンダ６２ａ内に封入された混合気をピストン６２ｂで圧縮して燃焼室６１ａ内に導入する圧縮ユニット６２と、駆動カム６３ａと従動カム６３ｂとの相対移動によってピストン６２ｂを圧縮動作させるカムユニット６３と、駆動カム６３ａを駆動する駆動ユニット６４と、駆動ユニット６４に作動圧を供給する蓄圧ユニット６５とを備えて要部が構成されている。

そして、この試験機６０では、蓄圧ユニット６５から駆動ユニット６４に作動圧が供給されて駆動カム６３ａが駆動されると、従動カム６３ｂは駆動カム６３ａのカムプロフィールに従ってピストン６２ｂを圧縮動作させる。これにより、シリンダ６２ａ内に封入された混合気は燃焼室６１ａ内に導入され、図示しないレーザ装置等を用いて点火される。そして、混合気を点火後の所定タイミングでインジェクタ６１ｂから観測用燃料を噴射することにより、燃料噴霧の観測が可能となる。

このような構成によれば、混合気の燃焼後もピストン６２ｂが上死点で保持されるので、静的な高温・高圧場において、試験用燃料の噴霧状態を観測することが可能となる。

１ … 燃焼室観測装置
５ … 試験機
６ … シリンダブロック
６ａ … 観察用窓
７ … シリンダヘッド
１０ … シリンダライナ
１１ａ … 吸気ポート
１１ｂ … 排気ポート
１２ａ … 吸気弁
１２ｂ … 排気弁
１３ … 動弁機構
１４ａ … 吸気カム軸
１４ｂ … 排気カム軸
１５ａ … 吸気カムプーリ
１５ｂ … 排気カムプーリ
１６ … 吸気通路
１７ … スロットル弁
１８ … ガソリン用インジェクタ
１９ … 排気通路
２０ … ピストン
２０ａ … 開口部
２１ … 燃焼室
２４ … 透明板
２５ … スペーサ
２６ … エクステンション部材
２６ａ … 開口部
２７ … 反射鏡
３０ … コネクティングロッド
３１ … クランク軸
３２ … クランクプーリ
３５ … 駆動用モータ
３６ … タイミングベルト
４０ … ディーゼル用インジェクタ
４１ … レーザ装置
４２，４３ … 高感度カメラ（撮像手段）
５０ … 制御部（燃焼制御手段、燃料噴射制御手段）
５１ … クランク角センサ
６０ … 試験機
６１ … 燃焼ユニット
６１ａ … 燃焼室
６１ｂ … インジェクタ
６２ … 圧縮ユニット
６２ａ … シリンダ
６２ｂ … ピストン
６３ … カムユニット
６３ａ … 駆動カム
６３ｂ … 従動カム
６４ … 駆動ユニット
６５ … 蓄圧ユニット

Claims

燃焼室が可視化された試験機の前記燃焼室内で混合気を燃焼させる燃焼制御手段と、
前記混合気の燃焼によって酸素が消費された前記燃焼室内に観測用燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃焼室観測装置。
前記試験機は、前記混合気の燃焼サイクルを再現可能なガソリンエンジン用の試験機であって、前記燃焼室内に前記観測用燃料を噴射するインジェクタを備え、
前記燃料噴射手段は、前記混合気の燃焼後から排気前の所望のタイミングで、前記インジェクタから前記観測用燃料を噴射することを特徴とする燃焼室観測装置。
前記燃焼制御手段は、前記試験機の吸気系に設けられたスロットル弁の開度を制御することにより、前記混合気の燃焼後の前記燃焼室内の圧力を制御することを特徴とする請求項２記載の燃焼室観測装置。
前記燃焼制御手段は、前記燃焼室内での前記混合気の点火タイミングを制御することにより、前記混合気の燃焼後の前記燃焼室内の温度を制御することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃焼室観測装置。