JP2018040571A - 内燃機関における筒内流動計測方法とその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃焼運転条件下における混合気の流れと、流れ場の中での火炎の挙動を同時に把握することができる内燃機関における筒内流動計測方法とその装置を提供すること。【解決手段】シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジン１０と、吸気行程において可視化エンジン１０の筒内に液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器２Ａ，２Ｂと、レーザ光を出射する光源３０を有し、この光源３０から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器３と、照明機器３によりレーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器４と、撮影機器４のフレームレートと照明機器３が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器６と、撮影機器４が撮影した画像を解析する解析機器５とを備える。【選択図】図１
Description
本発明は、内燃機関における筒内流動の計測方法とその装置に関する。
従来、筒内での混合気の流れ（以下、筒内流動という。）を強化することは、エンジン燃焼に大きく寄与する因子であり、高効率エンジン開発において、筒内流動の特性を理解することの重要性が高まっている。筒内流動の計測方法として、レーザドップラー流速計測法（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ： 以下、ＬＤＶという。）や粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ： 以下、ＰＩＶという。）が挙げられる。
ＬＤＶは、点計測であるため空間分布を把握するには測定点を移動させる必要が生じる。一方、ＰＩＶでは空間分布を一度に計測することが可能であるため、高速ＰＩＶの実用化が進展してきた。ＰＩＶによる筒内流動計測の多くは非燃焼運転条件の混合気の流れの計測に適用されるため、燃焼運転条件下での混合気の流れの状態や、火炎の拡がりを計測することは困難であった。そのため、非燃焼運転条件下では、考慮できない残留ガスや、火炎による流れへの影響、燃焼を含めた筒内流動の計測に対する期待が高まっていた。近年は、エンジン燃焼場、ターボ機械羽根車通過流、３次元噴流構造などの複雑な流れ場を計測するＰＩＶが開発されている。このＰＩＶを用いた内燃機関の筒内流動計測において、投入される粒子として、トレーサ粒子と呼ばれる微細な粒子がある。使用されるトレーサ粒子の種類は、流体に応じて適宜選択されるもので、一般的に、燃焼場では固体トレーサ粒子（例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子等）が用いられる。燃焼場以外のＰＩＶ、例えば、風洞等の開放空間では液体トレーサ粒子（例えば、水やオリーブ油を噴霧化した微細な液滴）やスモークが用いられる。
特許文献１には、ハレーション又はブルーミング現象を抑制し又は防止しながら、内燃機関の燃焼・爆発反応の反応場のように短時間に輝度が変化する高輝度の流動場をＰＩＶ計測法等により計測することができることが記載されている。さらに、特許文献１には、燃焼運転条件下で、可視化部を、撮像素子を備えたＣＣＤカメラにより撮影するＰＩＶ計測を行うことが記載されている。具体的には、印加電圧の増大に相応して透過光量を減少させるブルーミング抑制用液晶パネルから構成される光減衰器を用い、この光減衰器は、燃焼室内に発生する高輝度の着火・爆発現象に相応して透過光量を減少させ、光減衰量を最適化するようにしている。この状態で、流れ場にレーザ光を照射し、トレーサ粒子群の反射光によりトレーサ粒子群の撮影を行う。微小時間間隔を隔てた連続２時刻の粒子像の画像データに基づき、可視化流体の速度ベクトル又は速度成分等を計測するものである。また、特許文献２には、内燃機関のモータリング運転条件下で、混合気の流れを計測することが記載されている。
内燃機関の燃焼場では、固体トレーサ粒子であって、さらに耐燃焼性を有している粒子は効果的である。しかしながら、トレーサ粒子を投入した後、燃焼場においては、既燃部と未燃部で粒子の輝度が異なることが問題である。具体的に説明すると、液体トレーサ粒子の場合、既燃部では消失してしまうため光が散乱しない。また、特許文献１における計測方法のように固体トレーサ粒子を使用した場合、固体トレーサ粒子では耐燃焼性がある場合でも、既燃部では膨張により数密度が低くなる、または数密度がゼロとなる場合もあるため相対的に既燃部で暗く、未燃部では明るくなる。これに伴い、未燃部を適度な輝度に調整した場合、既燃部が暗く解析することができなくなる。反対に燃焼部を適度な輝度にした場合、未燃部は飽和して解析できないという問題があった。
さらに、高乱流場で火炎帯が厚くなった場合に、既燃と未燃との領域が不明瞭になり、境界線である火炎位置を定義しにくくなるという問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼運転条件下における混合気の流れと、流れ場の中での火炎の挙動を同時に把握することができる内燃機関における筒内流動計測方法とその装置を提供することである。
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、
シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジンと、
吸気行程において前記可視化エンジンの筒内に液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器と、
レーザ光を出射する光源を有し、該光源から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器と、
前記照明機器により前記レーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器と、
前記撮影機器のフレームレートと前記照明機器が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器と、
前記撮影機器が撮影した画像を解析する解析機器とを備えた内燃機関における筒内流動計測装置である。
シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジンと、
吸気行程において前記可視化エンジンの筒内に液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器と、
レーザ光を出射する光源を有し、該光源から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器と、
前記照明機器により前記レーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器と、
前記撮影機器のフレームレートと前記照明機器が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器と、
前記撮影機器が撮影した画像を解析する解析機器とを備えた内燃機関における筒内流動計測装置である。
また、上記課題を解決するためになされた第２の発明は、
シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から内燃機関の筒内の流動を計測する方法であって、
照明機器は、光源からレーザ光を出射し、該光源から発せられるレーザにより筒内にシート状のレーザシートを形成し、
液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を吸気行程において混合気と共に供給し、
圧縮上死点近傍において、混合気に着火することで火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子の蒸発による液体トレーサ粒子の散乱光の消失と、液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子の未燃混合気の流動に伴う移動並びに固体トレーサ粒子の未燃混合気及び既燃ガスの流動に伴う移動とを撮影機器によって撮影し、
前記撮影機器により撮影した画像を解析することで筒内の流動を計測するようにした内燃機関における筒内流動計測方法である。
シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から内燃機関の筒内の流動を計測する方法であって、
照明機器は、光源からレーザ光を出射し、該光源から発せられるレーザにより筒内にシート状のレーザシートを形成し、
液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を吸気行程において混合気と共に供給し、
圧縮上死点近傍において、混合気に着火することで火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子の蒸発による液体トレーサ粒子の散乱光の消失と、液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子の未燃混合気の流動に伴う移動並びに固体トレーサ粒子の未燃混合気及び既燃ガスの流動に伴う移動とを撮影機器によって撮影し、
前記撮影機器により撮影した画像を解析することで筒内の流動を計測するようにした内燃機関における筒内流動計測方法である。
本明細書において、上記圧縮上死点近傍とは圧縮上死点直前から直後（燃焼・膨張行程）を含む範囲である。
本発明の内燃機関における筒内流動計測装置及びその方法により、燃焼運転条件下における圧縮上死点（ＴＤＣ）前後の筒内流動や初期火炎を可視化することができる。固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを筒内流動計測で組み合わせて用いることにより、燃焼運転条件下における混合気の流れと流れ場の中での火炎の挙動を同時に把握する際にコントラストを明瞭にしながら、着火直後の初期火炎の拡がりから、燃焼室全体への火炎伝播の様子を逐一流れと関連づけながら追跡することが可能となる。
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。
＜実施形態１＞
本実施形態は、固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを組み合わせて用いる内燃機関における筒内流動計測装置及びその方法である。
本実施形態は、固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを組み合わせて用いる内燃機関における筒内流動計測装置及びその方法である。
−内燃機関−
本実施形態における内燃機関（可視化エンジン）１０は、図２に示すような、レシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、シリンダヘッド１１（燃焼室を形成する天井面側壁の可視化部分が「ペントルーフ」に該当する）とシリンダ１２（シリンダ１２の内周面であるピストン１３の摺動面は「シリンダライナ」に該当する）とピストン１３（このピストンの頂面が「ボトム」に該当する）を備える。シリンダ１２は、シリンダブロックに形成されている。シリンダ１２内には、ピストン１３が往復自在に設けられており、シリンダヘッド１１、シリンダ１２及びピストン１３は、燃焼室１４を区画している。シリンダ１２内において、シリンダ１２の軸方向にピストン１３が往復運動すると、ピストン１３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。
本実施形態における内燃機関（可視化エンジン）１０は、図２に示すような、レシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、シリンダヘッド１１（燃焼室を形成する天井面側壁の可視化部分が「ペントルーフ」に該当する）とシリンダ１２（シリンダ１２の内周面であるピストン１３の摺動面は「シリンダライナ」に該当する）とピストン１３（このピストンの頂面が「ボトム」に該当する）を備える。シリンダ１２は、シリンダブロックに形成されている。シリンダ１２内には、ピストン１３が往復自在に設けられており、シリンダヘッド１１、シリンダ１２及びピストン１３は、燃焼室１４を区画している。シリンダ１２内において、シリンダ１２の軸方向にピストン１３が往復運動すると、ピストン１３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１１には、点火プラグを取り付けるためのプラグホール１１ａが形成されている。プラグホール１１ａの内端は燃焼室１４に開口している。また、シリンダヘッド１１には、燃焼室１４に開口する吸気ポート１５及び排気ポート１６が形成されている。吸気ポート１５には、吸気バルブ１７とインジェクター１９とが設けられている。一方、排気ポート１６には、排気バルブ１８が設けられている。
−内燃機関における筒内流動計測装置−
本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１は、図１に示すように、シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジン１０と、吸気行程において可視化エンジン１０の筒内に固体トレーサ粒子及び液体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器２Ａ，２Ｂと、レーザ光を出射する光源３０を有し、この光源３０から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器３と、照明機器３によりレーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器４と、撮影機器４のフレームレートと照明機器３が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器６と、撮影機器４が撮影した画像を解析する解析機器５とを備えている。すなわち、本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１は、燃焼運転条件下における混合気の流れを計測しながら、流れ場の中で火炎の挙動を同時に把握する、粒子画像計測法（ＰＩＶ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ法）を用いた計測装置である。さらに、本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１によれば、液体トレーサ粒子を用いることにより、圧縮上死点近傍において、混合気に着火することで火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子の蒸発による液体トレーサ粒子の散乱光の消失をとらえることで、火炎の拡がりを観察することが可能である。
本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１は、図１に示すように、シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジン１０と、吸気行程において可視化エンジン１０の筒内に固体トレーサ粒子及び液体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器２Ａ，２Ｂと、レーザ光を出射する光源３０を有し、この光源３０から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器３と、照明機器３によりレーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器４と、撮影機器４のフレームレートと照明機器３が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器６と、撮影機器４が撮影した画像を解析する解析機器５とを備えている。すなわち、本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１は、燃焼運転条件下における混合気の流れを計測しながら、流れ場の中で火炎の挙動を同時に把握する、粒子画像計測法（ＰＩＶ：Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ法）を用いた計測装置である。さらに、本実施形態の内燃機関における筒内流動計測装置１によれば、液体トレーサ粒子を用いることにより、圧縮上死点近傍において、混合気に着火することで火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子の蒸発による液体トレーサ粒子の散乱光の消失をとらえることで、火炎の拡がりを観察することが可能である。
固体トレーサ粒子と液体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器２Ａ，２Ｂは、例えば、内燃機関１０の吸気ポート１５を流れる吸気に対してトレーサ粒子を別々に供給する。固体トレーサ粒子と液体トレーサ粒子の別々のトレーサ粒子供給機器２Ａ，２Ｂの設置位置は、シリンダ上面を起点として、トレーサ粒子の供給により計測場の流動に影響を与えず、液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子が計測場全体に拡散する所定距離であって、当該所定距離以上離れていれば特段問題はない。本実施形態においては、設置位置は吸気ポート１５入口より上流に設置するようにしている。
固体トレーサ粒子供給機器２Ａは、固体トレーサ粒子貯留用のタンク２０Ａと、固体トレーサ粒子の供給流量を調整する流量調整部と、固体トレーサ粒子用圧力計と、タンク２０Ａから固体トレーサ粒子を吸気ポート１５に供給する送出機構と、固体トレーサ粒子を吸気ポート１５に供給する際にエンジン負圧による吸込みを防止するための圧空バルブとから構成される。
固体トレーサ粒子供給機器２Ａでは、固体トレーサ粒子が撹拌されてその後送出される。圧空バルブは、タンク２０Ａの下流に設けられることによりエンジン負圧により固体トレーサ粒子が吸い込まれるのを防止することができる。
液体トレーサ粒子供給機器２Ｂは、図３に示すように、液体貯留用のタンク２０Ｂと、液体貯留用のタンク２０Ｂの天井面に設けられ、圧縮空気をタンク２０Ｂに送り込むための圧縮空気噴射器２１と、先端に液体噴出口２２ａを備えた液体導出管２２と、液滴を液体トレーサ粒子として吸気ポート１５に放出するための放出口２４とから構成される。圧縮空気噴射器２１は、圧縮空気をタンク２０Ｂ内に供給するための圧縮空気供給管２１ａと、圧縮空気流量を制御し、圧縮空気を噴射するための圧縮空気噴射ノズル（オリフィス）２１ｂと、圧縮空気噴射ノズル２１ｂと液体噴出口２２ａとの距離を調整する調整ねじ２１ｄとから構成されている。圧縮空気供給管２１ａには空気圧を調整するための減圧レギュレータ２１ｃが配設されている。２３は、圧縮空気供給管２１ａ、液体導出管２２、調整ねじ２１ｄをタンク２０Ｂの天井面に配設するための筒状取付部材である。
圧力計が取り付けられた減圧レギュレータ２１ｃにより調整された圧縮空気は、圧縮空気供給管２１ａを介し、液体貯留用のタンク２０Ｂに供給される。その際、圧縮空気はその流量を制御する圧縮空気噴射ノズル２１ｂから勢いよく噴射されるため、負圧が発生しタンク２０Ｂ内の液体を、液体導出管２２を介して液体噴出口２２ａまで吸い上げることができる。吸い上げられた液体は液滴状態（液体トレーサ）となり、タンク２０Ｂ内に噴射された圧縮空気と共に放出口２４から放出通路を介して吸気ポート１５に供給される。圧縮空気噴射器２１に設けられた調整ねじ２１ｄにより、圧縮空気噴射ノズル２１ｂと液体噴出口２２ａとの間の所定距離を調整することで液体トレーサの供給量を調整することができる。圧縮空気噴射ノズル２１ｂと液体噴出口２２ａとの距離を調整して近接にすることで、より多くの液体トレーサを生成することができる。
圧縮空気流量を制御する圧縮空気噴射ノズル２１ｂに圧縮空気が送り込まれると、ベルヌーイの定理により、負圧で真空状態となり、噴霧状態の液滴（液体トレーサ）を大量発生させることが可能である。これは、いわゆるキャブレターと同様の原理である。
照明機器３は、内燃機関１０の計測対象室にレーザシートを形成する。具体的には、照明機器３は、レーザ光を出射するレーザ光源３０と、この光源３０から発せられるレーザ光を混合気の流動場内に薄幅のシート状のシート光として投入させるレンズモジュール３１とを有するものである。レンズモジュール３１は、ガイドアーム３２の先端に形成され、レーザ光はガイドアーム３２を通じて可視化エンジン１０近傍まで導かれ、ガイドアーム３２先端のレンズモジュール３１から照射されるレーザ光は、レーザ光の通過部分を透明に形成したピストン１３の下方からミラー３３を介して、レーザ光を燃焼室１４に照射され薄幅のシート状に形成される。このレーザシートの厚みは特に限定するものではないが、例えば２ｍｍである。
照明機器３を構成するレーザ光源３０は、原理的にはＣＷレーザでもパルスレーザでもよいが、固体トレーサ粒子からの反射光強度を十分に確保する観点から、高出力が得られるパルスレーザが用いられることが好ましい。このようなレーザは、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）励起レーザであって、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ又はＮｄ：ＹＡＧレーザ等が挙げられる。本実施形態では、Ｎｄ：ＹＬＦレーザを使用した。さらに、レーザの波長は５２７ｎｍが好適であり、最大繰り返し周波数は１６．６ｋＨｚとすることが好ましい。この周波数は制御機器６によって制御され、後述する撮影機器４として用いられる高速度カメラ４０のフレームレートに合わせることでトレーサ粒子の散乱光を撮影するようにしている。
撮影機器４として、本実施形態においては、高速度カメラ４０を用いており、トレーサ微粒子群の画像を取得するための撮影素子を備えている。高速度カメラ４０の画素数及びフレームレートは、特に限定するものではないが、本実施形態においては、フルフレーム１２８０×８００画素で最大１６６００ｆｐｓのものを採用している。
レーザ光源３０には、制御機器６が接続されており、制御機器６は高速度カメラ４０における高速ゲートと同期させるようレーザ発光の制御を行う。さらに、この制御機器６はノイズ抑制も行う。高速撮影に対応する高速ゲート機能を使用することで、高速のシャッタ動作を行うことができる。本実施形態においては、高速度カメラ４０におけるゲート幅を短くすることで、レーザを発した際に余計な干渉を防ぎ信号品質を高めることができる。これにより、コントラストが明瞭となり空間分解能が向上するので精度良く撮影を行うことができる。さらに本実施形態では、レーザ光源３０から発光されるレーザの最大繰り返し周波数を１６．６ｋＨｚとして、高速度カメラ４０の画素及びフレームレートである最大１６６００ｆｐｓに同期させている。
燃焼室１４に供給される、微細粒子である固体トレーサ粒子は、耐燃焼性があり融点の高い粒子であれば特に限定されるものではないが、本実施形態においては、シリカ（ＳｉＯ２）粒子を使用する。この他に、使用することができる固体トレーサとしては、酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子、ジルコニア（ＺｒＯ２）粒子、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粒子等が挙げられる。さらに、固体トレーサ粒子の粒径については、特に限定するものではないが、本実施形態においては、特に好適であるので、４μｍとした。この粒径についてはさらに小さくすることも可能である。
液体トレーサ粒子としては、可視化エンジンへの投入後、燃焼時に消失する粒子を選別する。具体的には、適正粒子は点火前の圧縮行程における温度上昇では完全に消失しない、すなわち、エンジン圧縮に対する熱耐性を備え、燃焼行程における火炎に接することで消失するものである。このような観点から、本実施形態ではシリコンオイルを使用したが、例えば、パラフィン、グリセリンも液体トレーサ粒子として使用することが可能である。また、液体トレーサ粒子ではないが、上記適正を備えるものであれば、例えば樹脂系固体粒子を使用することも可能である。液体トレーサ粒子の粒径については、上記液体トレーサ粒子供給機器２Ｂ内で、液体トレーサ粒子の粒径選定は行わず、使用する液体の粘性により選定する。本実施形態においては、シリコンオイルを使用した。
撮影機器４は、照明機器３によるレーザ照射タイミングに同期して、レーザシート上のトレーサ粒子の散乱光を撮影する。
撮影機器４から出力された複数の画像データ（映像データ）は、解析機器５の記録装置に格納される。解析機器５は、記録装置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時刻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、相関をとり、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、計測対象室の各格子点における局所流速が求められる。同時に火炎の拡がりにより消失する液体トレーサ粒子の散乱光により火炎の外縁を求めることができる。
シート光によって発光した可視化流体中のトレーサ微粒子群の画像を撮像する可視化エンジン１０は、シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を観測可能に構成される。可視化エンジン１０には、ペントルーフに点火プラグ近傍の流動を可視化するための観察窓、及びレーザシートを導入するための光導入窓が設けられている。可視化エンジン１０の可視化部分を構成する耐熱性透光材料としては、例えば、石英ガラスが使用される。なお、可視化エンジン１０の形状は、本実施形態の形状に限定されない。本実施形態における可視化エンジン１０の仕様は、例示ではあるが、４ストローク（吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程）１シリンダであって、エンジン排気量は５００ｃｃ、ボア×ストロークは８６ｍｍ×８６ｍｍ、圧縮比は、１０．４、バルブ数は吸気バルブが２つ及び排気バルブが２つである。
本実施形態の内燃機関における筒内流動計測の計測条件について、具体的に説明する。以下の条件は例示であって、当該計測条件に限定されるものではない。
高速ＰＩＶ計測条件は、
サンプリング周波数：７．２ｋＨｚ（回転数：１２００ｒｐｍ）
測定サイクル数：１９（連続）
レーザシート厚み：２ｍｍ
画像サイズ：１２８０×８００画素（５９ｍｍ×３７ｍｍ）
検査領域：３２×３２画素（１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）
オーバーラップ率：５０％である。
高速ＰＩＶ計測条件は、
サンプリング周波数：７．２ｋＨｚ（回転数：１２００ｒｐｍ）
測定サイクル数：１９（連続）
レーザシート厚み：２ｍｍ
画像サイズ：１２８０×８００画素（５９ｍｍ×３７ｍｍ）
検査領域：３２×３２画素（１．５ｍｍ×１．５ｍｍ）
オーバーラップ率：５０％である。
エンジン運転条件は、
エンジン運転モード：燃焼
エンジン回転数：１２００ｒｐｍ
吸気圧：６０ｋＰａ
Ａ／Ｆ（空燃比）：１４．７
点火時期：１５ｄｅｇＢＴＣＤである。
エンジン運転モード：燃焼
エンジン回転数：１２００ｒｐｍ
吸気圧：６０ｋＰａ
Ａ／Ｆ（空燃比）：１４．７
点火時期：１５ｄｅｇＢＴＣＤである。
続いて、固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを組み合わせて用いる内燃機関における筒内流動計測方法について説明する。
本実施形態は、エンジンのシリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から内燃機関の筒内の流動を計測する方法である。具体的には、まず照明機器３におけるレーザ光源３０は、所定間隔を置きながら、最大繰り返し周波数１６．６ｋＨｚでレーザを発する。そして、レーザ光源３０からのレーザ光は、ガイドアーム３２を通じて可視化エンジン１０近傍にまで導かれる。照明機器３はガイドアーム３２先端のレンズモジュール３１により、レーザビーム光を厚さ２ｍｍ程度のシート状に形成する。レーザシートは、レーザ光源３０により照射されたレーザ光がピストン１３の下方に置かれたミラー３３を介して、ボトムから筒内に投入されることで形成される。さらに、本実施形態における火炎伝播の筒内流動計測の場合、レーザシートの形成位置は、筒内においてシリンダ中心点を通るとともに、吸気ポート１５間と排気ポート１６間における、各ポート（１５、１６）の内側であって、円周上の接線を通る形で直線状に形成するようにしている。
上述のとおり、固体トレーサ粒子供給機器２Ａでは、固体トレーサ粒子が撹拌されるため、比較的均一に固体トレーサ粒子を流れ場に供給することができる。また、液体トレーサ粒子については、いわゆるキャブレターの原理を用いて、液体を底面から吸い上げた後、大量に噴霧状態の液体トレーサ粒子とすることが可能であり、一様にシーティングすることが可能となる。
固体トレーサ粒子と液体トレーサ粒子を吸気行程において混合気と共に可視化エンジン１０の流れ場に供給される行程について説明する。固体トレーサ粒子は、固体トレーサ粒子供給機器２Ａから供給され、供給通路を通じた吸気ポート１５を介して、可視化エンジン１０の流れ場に投入される。液体トレーサ粒子については、液体トレーサ粒子供給機器２Ｂの放出口２４から放出され、吸気ポート１５を介して、可視化エンジン１０の流れ場に投入される。
以下で、固体トレーサ粒子の流れ場での計測について具体的に説明する。
燃焼ＰＩＶにおいて、固体トレーサ粒子の粒子散乱光を強くするため、本実施形態では、十分な追従性を得ることが可能なシリカ（ＳｉＯ２）粒子であって、追従性を許容できる範囲で平均粒径が大きい４μｍの粒子を使用した。さらに、本実施形態では、壁面反射光を低減させるべく及び粒子画像のノイズ光を低減させるため、可視化窓以外の壁面に黒色塗料を塗布している。
既燃部においては、固体トレーサ粒子供給量は狭小化する。すなわち、混合気が膨張することで固体トレーサ粒子の数密度が低くなるが、これは粒子散乱光の低減要因となるものである。粒子の数密度低減に応じて固体トレーサ粒子供給量を増加した場合、粒子の数密度が高い未燃部での輝度値が飽和しやすい状態となる。このため、モータリング時と比較すると、適正な粒子量の有効範囲が狭くなり、計測時の固体トレーサ粒子供給量調整が困難となる。固体トレーサ粒子供給量の適正範囲は、粒子画像のＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）に依存する。ＳＮ比が高い状態、すなわち信号である粒子散乱光が強く、それ以外のノイズ光が低くなるほど、固体トレーサ粒子量の調整に余裕が生まれ計測が容易となる。本実施形態では、上述のように、固体トレーサ粒子の粒子散乱光を強くすることで、固体トレーサ粒子供給量の狭小化に対応できる。さらに、可視化窓以外の壁面に黒色塗料を塗布したので壁面反射光も低減することができた。
さらに本実施形態では、火炎発光をカットする目的で、レーザ波長に合わせて中心波長５２７ｎｍのバンドパスフィルタを通じて撮影を行った。固体トレーサ粒子を流れ場に投入すると、レーザからの散乱光以外に火炎自体からの発光がカメラを通して撮影される。既燃部に見られる火炎に由来する発光は、計測断面に対して奥行方向の成分を含む。それゆえ、この画像からは既燃部の断面計測を行うことはできないため、火炎発光を除去しなければならない。上記状況に鑑み、本実施形態ではレーザ波長に合わせた中心波長５２７ｎｍのバンドパスフィルタを使用したので、火炎スペクトルの大部分を除去することができる。さらに、撮影画像は、レーザによる散乱光のみ、すなわち、既燃部を含む計測断面内の成分のみとなる。
このようにして得られる粒子画像は、既燃部では膨張のため粒子が存在するが、未燃部よりも平均輝度は低くなっている。したがって、この輝度差の境界を検出することで火炎の断層面形状を特定することができる。これにより、流速と火炎形状の同時計測が可能となる。
次に、液体トレーサ粒子の流れ場での計測について具体的に説明する。
液体トレーサ粒子としては、点火前の圧縮上死点近傍における温度上昇では完全に消失しない、すなわち、エンジン圧縮に対する熱耐性を備え、燃焼行程における火炎に接することで消失するもの、例えば、本実施形態ではシリコンオイルを使用するようにしている。したがって、吸気行程において、このような液体トレーサ粒子を流れ場に投入すると、吸気行程、圧縮行程を経て燃焼行程までの間、混合気に着火するまでは液体トレーサ粒子は流れ場に均一に存在することになる。そして、燃焼行程において混合気に着火することで、火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子が蒸発し、液体トレーサ粒子の散乱光の消失をカメラにより観察することが可能となる。その一方で、固体トレーサ粒子は未燃混合気及び既燃ガスの流動に追従する。そして、液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子の、未燃混合気の流動に伴う移動並びに固体トレーサ粒子の未燃混合気及び既燃ガスの流動に伴う移動も併せて捉えることが可能となる。これにより、固体トレーサ粒子のみで計測を行う場合に比べて、燃焼変動が活発な流れ場における混合気及び火炎の伝播を、より精度よく燃焼室全体において捉えることが可能となる。
上述したとおり、液体トレーサ粒子と固体トレーサ粒子を同時に投入するようにすることで、固体トレーサ粒子及び液体トレーサ粒子による未燃混合気の流動と固体トレーサ粒子による未燃混合気及び既燃ガスの流動を観察しながら、同時に火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子が蒸発することによる液体トレーサ粒子の散乱光の消失を観察することができる。
−実施形態１の効果−
本実施形態によれば、燃焼運転条件下における圧縮上死点（ＴＤＣ）前後の筒内流動や初期火炎を可視化することができる。さらに、固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを筒内流動計測で組み合わせて用いることにより、燃焼運転条件下における混合気の流れと流れ場の中での火炎の挙動を同時に把握する際にコントラストを明瞭にしながら、着火直後の初期火炎の拡がりから、燃焼室全体への火炎伝播の様子を逐一流れと関連づけながら追跡することが可能となる。また、固体トレーサ粒子のみで流れ場計測を行う場合に比べて、燃焼変動が活発な流れ場における混合気及び火炎の流動を、より精度よく燃焼室全体において捉えることが可能となる。
本実施形態によれば、燃焼運転条件下における圧縮上死点（ＴＤＣ）前後の筒内流動や初期火炎を可視化することができる。さらに、固体トレーサ粒子と、液体トレーサ粒子とを筒内流動計測で組み合わせて用いることにより、燃焼運転条件下における混合気の流れと流れ場の中での火炎の挙動を同時に把握する際にコントラストを明瞭にしながら、着火直後の初期火炎の拡がりから、燃焼室全体への火炎伝播の様子を逐一流れと関連づけながら追跡することが可能となる。また、固体トレーサ粒子のみで流れ場計測を行う場合に比べて、燃焼変動が活発な流れ場における混合気及び火炎の流動を、より精度よく燃焼室全体において捉えることが可能となる。
以上説明したように、本発明の筒内流動計測装置及びその方法は、燃焼運転条件下における内燃機関における筒内流動を分析するための計測に使用する計測器具に好適に用いることができる。
１ 筒内流動計測装置
２ トレーサ粒子供給機器
２Ａ 固体トレーサ粒子供給機器
２Ｂ 液体トレーサ粒子供給機器
３ 照明機器
３０ レーザ光源
４ 撮影機器
５ 解析機器
６ 制御機器
１０ 内燃機関（可視化エンジン）
２ トレーサ粒子供給機器
２Ａ 固体トレーサ粒子供給機器
２Ｂ 液体トレーサ粒子供給機器
３ 照明機器
３０ レーザ光源
４ 撮影機器
５ 解析機器
６ 制御機器
１０ 内燃機関（可視化エンジン）
Claims (2)
- シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から筒内を計測できるよう構成された可視化エンジンと、
吸気行程において前記可視化エンジンの筒内に液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を別々に供給するトレーサ粒子供給機器と、
レーザ光を出射する光源を有し、該光源から発せられるレーザにより、筒内にシート状のレーザシートを形成する照明機器と、
前記照明機器により前記レーザシートを形成した計測対象室となる筒内を撮影する撮影機器と、
前記撮影機器のフレームレートと前記照明機器が発するレーザの発振周期とを同期させるように制御する制御機器と、
前記撮影機器が撮影した画像を解析する解析機器とを備えた内燃機関における筒内流動計測装置。 - シリンダライナ、ペントルーフ、ボトムの３方向のうち少なくとも１方向から内燃機関の筒内の流動を計測する方法であって、
照明機器は、光源からレーザ光を出射し、該光源から発せられるレーザにより筒内にシート状のレーザシートを形成し、
液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子を吸気行程において混合気と共に供給し、
圧縮上死点近傍において、混合気に着火することで火炎の外縁に存在する液体トレーサ粒子の蒸発による液体トレーサ粒子の散乱光の消失と、液体トレーサ粒子及び固体トレーサ粒子の未燃混合気の流動に伴う移動並びに固体トレーサ粒子の未燃混合気及び既燃ガスの流動に伴う移動とを撮影機器によって撮影し、
前記撮影機器により撮影した画像を解析することで筒内の流動を計測するようにした内燃機関における筒内流動計測方法。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3290874A1 (en) | 2018-03-07 |
| US20180066969A1 (en) | 2018-03-08 |
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