JP2021121794A - エンジンにおける混合ガスの混合状態解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば気筒内での混合気の状態をＬＩＦ法によって解析するにおいて、レーザ光の強度に変動があっても高い精度で継続的に解析できる方法を提供する。【解決手段】解析装置は、測定対象（撮影対象）である透明体製気筒４と、これにレーザ光を照射するレーザ発光器２、気筒４を撮影するカメラ３と、気筒４に近接して配置された参照部材１８とを備えており、レーザ光は参照部材１８にも照射する。カメラ３では、気筒４と参照部材１８とが同時に撮影される。参照部材１８はレーザ光の強度に比例した輝度で発光する。従って、レーザ光の強度が変動すると、参照部材１８の画像の輝度も変化する。この変化に応じて気筒４の画像の輝度を増減補正することにより、多数回の測定を同じレーザ光強度で行ったのと同じ状態になる。従って、多数回の撮影画像を正確に対比できて、解析精度を向上できる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエンジンの気筒内での混合気の解析などに使用される、レーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ法）を使用した混合ガスの混合状態解析方法に関するものである。

内燃機関において、気筒内での燃料と空気の混合状態は燃焼性と直結した重要な要素であるが、混合状態を可視的に把握できると、吸気構造や点火の制御等を改良する上で有益である。そこで、レーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ法）を使用して、気筒内での混合気の状態を可視的に解析することが行われている。

すなわち、この方法では、ガラスのような透明体で作られた試験用気筒が使用されており、レーザ光の照射によって発光する蛍光剤を燃料に添加しておき、レーザ光を気筒に照射して蛍光剤を発光させてこれをＣＣＤカメラで撮影し、蛍光剤の輝度（照度）から燃料の混合状態を可視的に把握するものである（例えば特許文献１、非特許文献１）。

特開平１１−９４８２８号公報 Ｒ＆Ｄ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｏｙｏｔａ ＣＲＤＬ Ｖｏｌ．３６ Ｎｏ．４ ２７〜３４頁「ＬＩＦ（レーザ誘起蛍光）による直噴ガソリンエンジンの燃焼変動解析」

さて、ＹＡＧレーザ等のレーザ発光器は、励起光源から光レーザ媒体に照射・増幅させてレーザ光として取り出しており、この種の測定にはごく短い時間間隔で励起を繰り返すパルスレーザが使用されているが、パルスレーザはパルスごとのパターンと出力の変動が大きいという性質があり、このため、測定を行うたびにレーザ光の強度が大きく変動してしまうことがある。

更に述べると、レーザ発光器は使用していくうちに発熱していくが、発光器の温度が上昇すると出力が変動しやすくなるという性質もあるため、ある程度の時間に亙ってレーザ光の出力を安定させるということが難しかった。そして、レーザ光の出力が変動すると、混合気の濃度分布が同じであっても異なる輝度の画像として現れることになるため、混合気の濃度分布を正確に把握できなくなってしまうことになる。

本願発明は、このような現状を改善することを課題とするものである。

本願発明は、エンジンにおける混合ガスの混合状態をレーザ誘起蛍光法によって解析する方法であり、この方法は、
「レーザ光照射によって発光する蛍光剤が混合された混合ガスを対象物に流して、これをカメラで撮影して輝度から混合ガスの濃度を把握するという工程を繰り返す場合において、
各工程において、前記レーザ光の一部を参照部材に照射してこれを前記カメラで対象物と一緒に撮影して参照画像を作成し、先に撮影された参照画像の輝度と後から撮影した参照画像の輝度とを対比し、相違がある場合にはその相違に対応して後の工程における対象物の画像の輝度を補正する」
という構成になっている。

参照部材は、レーザ光の強度（出力）と輝度との関係が一定している（比例関係にある）ものであり、例えば漂白剤が塗布されたプレートや、漂白剤が封入された透明ケース等を使用できる。本願発明は様々な混合ガスの解析に具体化できるが、特許文献１及び非特許文献と同様に、気筒内での混合気の解析に適用すると好適である。

本願発明では、ＬＩＦ法によって繰り返し対象物を撮影して画像を取得していくにおいて、先の測定での参照画像の輝度を参照輝度として設定しておいて、この参照輝度と後の測定での参照部材の画像の輝度とを対比することにより、レーザ光の出力の変動を把握できる。従って、例えば、レーザ発光器が発熱していない作業開始時の参照部材の画像の輝度を参照輝度に設定しておき、以後に行われる測定での参照画像の輝度が参照輝度と相違するときには、参照輝度との違いの分だけ対象物の画像の輝度を増減補正することにより、各測定を同じレーザ光強度で行ったのと同じ状態にすることができる。

これにより、各測定により撮像された画像の正確な対比を可能ならしめて、解析精度を格段に向上できる。すなわち、正確な基礎データを得ることができる。その結果、内燃機関の分析や改良を的確に行うことができる。

実施形態の装置を示す図であり、（Ａ）は模式的な平面図、（Ｂ）は（Ａ）の模式的なＢ−Ｂ視正面図である。 予備測定結果を示す模式図で、（Ａ）はリーン状態での撮像図、（Ｂ）はリーン状態での空燃比とクランク角度との関係を示すグラフ、（Ｃ）はストイキ状態での撮像図、（Ｄ）はストイキ状態での空燃比とクランク角度との関係を示すグラフ、（Ｅ）はリッチ状態での撮像図、（Ｆ）はリッチ状態での空燃比とクランク角度との関係を示すグラフ、Ｒ０はストイキ状態での参照画像、Ｒ１はリーン状態での参照部材の画像、Ｒ２はリッチ状態での参照部材の画像である。 各状態の予備測定結果を補正して重ねたグラフである。 （Ａ）は本測定での模式的な画像、Ｒ０はストイキ状態で参照画像、Ｒ３は本測定での参照部材の画像である。 本測定における空燃比とクランク角度との関係を示すグラフである。 図３と図５とを重ねた対比グラフである。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、ポート噴射式内燃機関における気筒内での混合気の解析方法に適用している。

(1).解析装置の説明
図１に示すように、解析装置は、実際のエンジンと同様の構造の測定用機関１と、測定用機関１に対してレーザ光を照射するためのレーザ発光器２と、測定用機関１を撮影するカメラ（ＣＣＤカメラ）３とを備えている。レーザ発光器２は例えばＮｄ．ＹＡＧレーザ発光器を使用しているが、ＣＯ２レーザ発光器や半導体レーザ発光器なども使用できる。

測定用機関１は、シリンダボア４ａ及びピストン４ｂを有する気筒４と、これに一体化した吸気ポート５及び排気ポート６とを備えており、吸気ポート５は吸気バルブ７で開閉されて、排気ポート６は排気バルブ８で開閉される。本実施形態は、気筒４の内部での混合気の状態を解析するものであるため、少なくともシリンダボア４ａはガラス等の透明体で作られている。

吸気ポート５にはサージタンク９を有する吸気マニホールド１０が接続されており、サージタンク９にはスロットルバルブ１１が固定されている。スロットルバルブ１１には吸気管１２が接続されており、吸気管１２は、図示しないエアクリーナから吸気が送られる。

吸気ポート５には燃料噴射用のメインインジェクタ１３が臨んでおり、メインインジェクタ１３にデリバリ管１３ａを接続し、これに燃料タンク１４がホースで接続されている。また、吸気管１２には燃料噴射用の補助インジェクタ１５が接続されており、補助インジェクタ１５もホースによって燃料タンク１４に接続されている。

気筒４には、レーザ光がボア軸芯と直交した水平方向から入射するようになっているが、レーザ発光器２から照射されたレーザ光は、ミラー（反射鏡）１６及び集光レンズ１７を介して気筒４にボア軸心と直交した水平方向から照射されるようになっている。従って、レーザ発光器２の姿勢は任意に設定できる。カメラ３は、気筒４をレーザ光の照射方向と略直交した水平方向から撮影するように配置されている。なお、レーザ光の入射方向やカメラ３の配置位置は目的に応じて変更できる。

そして、レーザ光の照射範囲は気筒４よりも少し広くなっている一方、カメラ３の撮影視野も気筒４より少し広がっており、気筒４を挟んでカメラ３と反対側の部位に、レーザ光が入射すると共にカメラ３で撮影可能な参照部材１８を配置している。従って、カメラ３では、気筒４の画像と参照部材１８の画像（参照画像）とを同時に撮影できる。参照部材１８の表面には、レーザ光の強度に比例した輝度で発光する反射剤（例えば漂白剤）が塗布されている。

解析装置は、画像処理などを実行するデータ処理手段の一例としてパソコン１９を備えている。符号１９ａはパソコン本体を、符号１９ｂはモニターを、符号１９ｃはキーボードを示している。図示は省略しているが、レーザ発光器２やスロットルバルブ１１、インジェクタ１３，１５の制御弁はパソコン本体１９ａに接続されている。なお、測定用機関１を水平旋回させることにより、気筒４を１台のカメラ３で異なる任意の方向から撮影することが可能である。

(2).測定態様
本実施形態において、燃料タンク１４の燃料には、レーザ光によって発光する蛍光剤が添加されており、蛍光剤の発光状態をカメラ３で撮影することにより、気筒４の内部における混合気の燃料濃度の分布を可視的に把握できる。図２，４において、撮像した画像を網かけ表示によって模式的に示している。

本実施形態では、具体的な解析手順として、まず予備測定を行う。この予備測定では、図１に示す補助インジェクタ１５から蛍光剤入り燃料を吸気管１２に噴射することにより、蛍光剤入り燃料が均質に混ざった混合気を気筒４に送り込んで、これをカメラ３で撮影する。

この場合、燃料の噴出量は補助インジェクタ１５によって正確に制御できる一方、吸気の吹き込み量はスロットルバルブ１１によって正確に制御できるため、燃料が理論空燃比（ストイキ）よりも多いリッチ状態（例えばＡ／Ｆ＝１２．０））と、理論空燃比の状態（Ａ／Ｆ＝１４．７）と、燃料がリーン状態（例えばＡ／Ｆ＝１７．０）との３種類の空燃比の混合気を基準混合気として設定し、３つの基準混合気についてそれぞれ予備測定を行って基準輝度を測定している。図２のうち（Ｃ）でストイキ状態を示し、（Ａ）でリーン状態を示し、（Ｅ）でリッチ状態を示している。なお、リーン状態及びリッチ状態とも、複数の空燃比の基準混合気を設定することは可能である。

３つの基準状態において燃料の密度が相違するため、画像の輝度（照度）は、リーン状態、ストイキ状態、リッチ状態の順で濃く現れる（強く発光する）が、燃料は均等に混ざっているため、いずれの状態でも撮像は全体が同じ輝度に現れる。そこで、クランク軸（図示せず）を回転させつつ断続的に又は連続的に撮像して画像の輝度を基準輝度として記録しておくことにより、クランク角と基準輝度との関係をグラフ化していく（図２の（Ｂ）、（Ｄ）、（Ｆ））。

この場合、各グラフ（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）では、クランク角の増大に連れて輝度が高くなるように表示しているが、これは便宜的な表示であり、実際には、ピストン４ｂの動きと吸気量との関係により、非直線的な関係になったり、右下がりになったりし得る（圧縮行程では、クランク角の増大と共に輝度は高くなる。）。但し、いずれの基準状態でも吸気量は同じであるため、各グラフとも同じ傾向の線になる。なお、グラフ（Ｂ）（Ｄ）（Ｆ）では縦軸を輝度と表示しているが、空燃比として表示したり、単なる対比用指数として表示したりすることも可能である。

さて、レーザ発光器はパルス変動が大きくてレーザ光の強度が変化しやすいため、測定するごとにレーザ光の強さが変化して、同じ空燃比であっても蛍光剤の発光量が変化するおそれがある。すると、撮影を繰り返していくにおいて、画像の輝度と燃料濃度（空燃比）との関係が一定化せずに、燃料濃度を空燃比の絶対値で正確に表示し難くなってしまうおそれがある。

この点について本実施形態では、例えば、１日の作業のうちの最初に行われた測定での参照画像の輝度を参照輝度として設定しておき、以後の測定では、実際の参照画像の輝度と参照輝度とを対比し、相違があると、その相違に基づいて混合気の画像の輝度を増減する補正を行っている。実施形態では、ストイキ状態での測定を最初に行っており、このときの参照画像の輝度を参照輝度Ｘ０としている。

図２（Ｂ）のリーン状態では、参照部材１８の実際の輝度Ｘ１が 輝度参照Ｘ０からＥ１だけ高くなっているため、混合気の測定輝度のグラフをＥ１だけ下方にずらす補正を行っている。同様に、図２（Ｆ）のリッチ状態では、参照部材１８の実際の輝度Ｘ２が参照輝度Ｘ０からＥ２だけ低くなっているため、測定した輝度のグラフをＥ２だけ上方にずらす補正を行っている。これらの補正により、各基準輝度について、同一強度のレーザ光によって測定したのと同じグラフを得ることができて、正確な対比が可能になっている。

図３は、３つの基準輝度の補正後のグラフを１つに重ねているが、このように複数の空燃比に対応した輝度グラフを作成しておくと、撮像された画像の濃淡幅が大きくても、輝度と空燃比との対応関係を正確に把握できる（例えば、グラフの輝度（縦軸）は空燃比に換算できるため、気筒内の特定部位の混合気が特定のクランク角のときにどの程度の空燃比であるか把握できる。）。

本測定では、メインインジェクタ１３から燃料を噴射して、実際の気筒４の内部と同じ状態にして混合気をカメラ３で撮影する。図３（Ａ）では、画像を模式的に表示しているが、網かけ密度が濃い部分は燃料の濃度が高い部分で、網かけ密度が低い部分では燃料の濃度が低い部分である。

そして、いずれの部位も画像の輝度を数値化できるが、上記のとおり、輝度は空燃比に換算できるため、図３のグラフの数値と対比することにより、輝度が相違する各部位について空燃比の絶対値を知ることができる。

この本測定でも、レーザ光の強さが変化していることは有り得るので、図５に模式的に示すように、参照部材１８の実際の輝度Ｘ３が参照輝度Ｘ０と同じになるように、Ｘ３とＸ０との差Ｅ３の分だけ本測定輝度の補正を行っている。そして、補正後の本測定輝度の値と図３の基準値とを重ねることにより、図６に示す対比グラフを得ることができて、気筒内での各部位での混合気の空燃比を知ることができる。

以上のとおり、本実施形態では、繰り返し行われる測定においてレーザ光の強度に変動があっても、参照部材１８輝度を利用して同一強度のレーザ光で撮像したように補正できるため、信頼性に優れた高精度の解析データを得ることができる。従って、エンジンの分析や改良を的確に行える。

実施形態では、予備測定と本測定とを行っているが、空燃比の絶対値を知る必要がなくて濃度分布の把握だけで足りる場合は、このような予備測定は不要である。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、気筒等の対象物を複数のカメラで異なる箇所から撮影することにより、対象物を動かすことなく立体的な濃度分布を知ることができる。

また上記の実施形態は混合気の濃度分布の解析に適用したが、本願発明は、例えばパージガスの流れの解析など、他の混合ガスの解析にも適用できる。ＥＧＲガスやブローバイガスに霧化した蛍光剤を添加して流すことにより、ＥＧＲガスやブローバイガスの流れの解析を行うことも可能である。また、吸気ポートにおける混合気の流れの解析にも適用できる。

本願発明は、エンジンにおける混合ガスの混合状態解析方法に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 測定用機関
２ レーザ発光器
３ カメラ
４ 気筒
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
９ サージタンク
１１ スロットルバルブ
１２ 吸気管
１３ メインインジェクタ
１４ 燃料タンク
１５ 補助インジェクタ
１６ ミラー
１７ 集光レンズ
１８ 参照部材
Ｘ１，Ｘ２ 参照部材の輝度
Ｘ０ 比較対象である参照輝度
Ｘ３ 本測定での輝度

Claims (1)

1. エンジンにおける混合ガスの混合状態をレーザ誘起蛍光法によって解析する方法であって、
   レーザ光照射によって発光する蛍光剤が混合された混合ガスを対象物に流して、これをカメラで撮影して輝度から混合ガスの濃度を把握するという工程を繰り返す場合において、
   各工程において、前記レーザ光の一部を参照部材に照射してこれを前記カメラで対象物と一緒に撮影して参照画像を作成し、先に撮影された参照画像の輝度と後から撮影した参照画像の輝度とを対比し、相違がある場合にはその相違に対応して後の工程における対象物の画像の輝度を補正する、
   エンジンにおける混合ガスの混合状態解析方法。

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