JP2753613B2 - 微粉子分布状態測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ディーゼル機関内に噴射される燃料のごと
き微粒子群の分布やその分布変化の状態を容易に観察測
定できる分布状態測定方法に関する。

［従来の技術］ ディーゼルエンジンにアルコール燃料を使用すること
が検討されている。これは、軽油の代替燃料となると共
に、排気のNOXや黒鉛が低減できるという低公害の観点
等から検討されているものである。しかし、アルコール
の噴霧・燃焼上の性質を検討するに際して、燃焼室内で
の噴霧による流動挙動が問題になるが、アルコールの燃
焼火炎が青炎のため軽油輝炎のように簡単に可視化でき
ないので分布状態が把握できない。

このため、光源からアルコールの微粒子に対して光を
照射して、その散乱光に基づいてアルコール微粒子を分
布やその分布の移動状態を観察測定する技術を用いるこ
とが考えられる。

このような技術としては、例えば、内部の流れを測
定しようとするモデル槽内に気体コロイドで流れ場を形
成し、その一断面にスリット光源から局所的に光照射
し、コロイド粒子にて散乱させて流れを可視化させ、そ
の断面での気体の挙動を観察する方法（特開昭60−2360
70号公報）、レーザ光とシリンドリカルレンズとを用
いて、スリット光を形成し風洞中の微粒子に照射して乱
を可視化する方法（特開昭61−29729号公報）、波長
の異なるスリット光を異なる断面に照射して、微細粒子
あるいは微細気泡からの波長毎の散乱光画像を同時に
得、複数断面による流れ場の立体的挙動を得る方法（特
開昭62−5145号公報）が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の方法では、分散媒中に噴射された複数
の微粒子群（分散質）を区別して観察しようとする場
合、光照射はスリット状等に照射空間を限定して照射す
ることは可能であるが、形状が不安な微粒子群毎に区別
して照射することは不可能である。従って、一体となっ
た微粒子群の全体の挙動は散乱光に基づいて観察可能で
あるが、その内部の構造、即ち微粒子群毎にどの様に分
布し変化してゆくかを観察することは散乱光の区別がつ
かないので不可能であった。

上記ディーゼルエンジンの例で言えば、散乱光が区別
できないことによる次のような問題がある。即ちアルコ
ールは低セタン価のために着火補助用に軽油を火種にす
る方式がある。この着火機構やそれに続く燃焼の広がり
を観察するのには、同一燃焼室内に噴射された軽油とア
ルコールとを区別して観察できなくてはならない。しか
し、前記の方法では、軽油とアルコールとが一体として
観察できるのみであり、区別は不可能である。

このため、各微粒子群毎に着色して観察する方法も考
えられる。しかし微粒子の中に着色剤をいかに大量に添
加しても、微粒子内の着色剤による影響が散乱光に敏感
に現れず、散乱光は照射している光に極めて近いスペク
トルを示すのみであり、着色剤による各微粒子群毎の分
布測定は困難であるという問題があった。特に分布を視
覚的に捉えるのに有効な手段である写真やCCDによる測
定では全く不可能であった。

ディーゼルエンジンの例では、アルコールと軽油との
一方に着色するか、あるいは各々別個の着色を実施して
も、噴霧状態を観察すると、両者ともにほぼ同一のスペ
クトル光を散乱して来る。例えば、白色光で照射して写
真撮影しても両者が真っ白な１つの塊となり区別できな
いのである。

更にこのような材料の異なる複数の微粒子群上の問題
と共に、単一材料からなる複数の微粒子群の一部に着色
剤を含ませてそれが全微粒子群内で如何なる挙動を示す
かについても、同様に全微粒子群が一体となって観察さ
れるため、不可能であった。

本発明はこのような従来の測定上の問題点を解決し、
微粒子群の分布を測定できる測定方法を提供するもので
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するためになされた本発明の微粒子分
布状態測定方法は、 複数の微粒子群の内の少なくとも１つに他とは異なる
光ルミネッセンスを有する物質を含ませ、残りの微粒子
群に光ルミネッセンスを有する物質を含ませないことに
より、所定の励起光の照射に対して、前記光ルミネッセ
ンスを有する物質を含む微粒子群はそれぞれ異なる発生
状態を呈し、前記光ルミネッセンスを有する物質を含ま
ない微粒子群は散乱光を発するように複数の微粒子群を
調製し、この複数の微粒子群が一体となった微粒子流動
体に対して前記励起光を含む光を照射することにより、
少なくとも１つの微粒子群を他の微粒子群と区別して測
定可能とすることを要旨とする。

［作用］ 本発明の微粒子分布状態測定方法は、次のような知見
に基づくものである。

即ち、微粒子の内部に単に照射光の一部の波長光を吸
収することのみにより、散乱光のスペクトルを照射光の
スペクトルとは異ならせるような物質、例えば通常の染
料・顔料を添加して、色の変化で区別させようとして
も、微粒子から返って来る光の内、染料・顔料に起因す
るスペクトルはそれが吸引スペクトルであるために極め
て微弱なものとなるという事実である。このため微粒子
の表面でそのまま反射され散乱光となる光とともに測定
すると、ほとんどその吸収スペクトルが測定に現れな
い。特に写真やCCDなどの二次元的測定方法では吸収の
有無が区別できない現象が生ずるのである。

ところが本発明の光ルミネッセンスを有する物質が微
粒子中に含まれていると、照射光の少なくとも一部の波
長光の吸収に比例して、それとは波長の異なる光が微粒
子外部に向けて発射されることになる。このような微粒
子の内部からの発光により、スペクトル的に特徴的な光
が光強度を維持したまま、あるいは逆に測定側にとって
は増幅されて測定観察されることになり、微粒子の表面
から反射される光と混合しても十分に他の微粒子と区別
した測定観察が可能となるのである。

従って、光ルミネッセンスを有する物質を所定の微粒
子に含有させておけば、光ルミネッセンス物質を含有し
ていない微粒子あるいは他の光ルミネッセンス物質を含
有している微粒子と一体に存在しても、その部分が色の
違いとして明確に区別して観察できるのである。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説
明する。第１図は、本発明一実施例の測定方法が適用さ
れている噴射燃料測定装置の全体構成図を示している。

ディーゼル機関の燃焼室を模した噴射容器１には、パ
ーフロロプロパン（C₃F₈）の圧力ボンベ３からパーフロ
ロプロパンを供給するガス供給経路５と、真空ポンプ７
により噴射容器１内部の気体を排出するためのガス排出
経路９と、大気導入用の開放弁10と、が設けられてい
る。この噴射容器１内部は、ガス供給経路５に設けられ
た圧力計11を観察しつつ各経路5,9の調整弁5a,9a及び開
放弁10を開閉調節することにより、内部のパーフロロプ
ロパンの圧力や空気圧を所定範囲で任意に設定可能とさ
れている。

噴射容器１の一部にはノズルホルダ13が設けられ、燃
料噴射弁15はこのノズルホルダ13にその噴射ノズル17を
内部にして螺合されることにより、噴射容器１に固定さ
れている。この燃料噴射弁15には２つの燃料供給経路1
9,20が接続されている。一方の燃料供給経路19はメタノ
ール供給用であり、他方の燃料供給経路20は軽油供給用
である。また、噴射ノズル17が燃料供給経路19と接続し
ている部部にはその供給圧力を検出する圧力センサ21が
設けられている。

また噴射ノズル17の近傍の噴射容器１の壁部には石英
ガラスからなる入射窓23が設けられている。この入射窓
23の外側にはキセノンフラッシュランプ25が配設され、
入射窓23から噴射容器１内部の噴射ノズル17周辺をその
発光で照射可能としている。

またキセノンフラッシュランプ25の照射方向とは直角
方向の噴射容器１の壁分には石英ガラスからなる観測窓
27が設けられている。この観測窓27の外側には写真機29
が配置され、観測窓27を通して噴射ノズル17周辺を撮影
可能としている。

上記圧力センサ21からの圧力信号は増幅器31にて増幅
されて遅延回路33に入力される。また写真機29からはシ
ャッタ信号が遅延回路33に入力される。撮影時におい
て、遅延回路33はシャッタ信号により、シャッタが開放
されていると判断すると、圧力センサ21の圧力信号レベ
ルに基づき噴射のタイミングを捉えて、そのタイミング
から所定遅延時間後にキセノンフラッシュランプ25の制
御装置35に発光信号を送って、キセノンフラッシュラン
プ25を発光させる。このようにして噴射ノズル17周辺に
燃料が噴射された状態が撮影できる。

２燃料噴射方式の測定に際して、本装置の噴射ノズル
17からは最初に軽油が噴射され続いてメタノールが噴射
される。この軽油には蛍光剤が添加されている。蛍光剤
としては一般的な蛍光物質が用いられるが、その選択に
際しては、配合対象となる燃料等に均一に溶解あるいは
分散するものであって、かつ粘性等の流動特性を大きく
変動させないものが好ましい。

例えば軽油に好適な蛍光剤としては、漏洩検査剤とし
て用いられているOL200II（マークテック社製）があ
る。勿論、メタノール側に蛍光剤を添加して標識しても
よい。更に異なる波長の蛍光を発する蛍光剤をそれぞれ
軽油とメタノールとに添加して蛍光色の違いで区別する
ようにしてもよい。また光ルミネッセンスを呈する燐光
剤も同様に用いることが出来る。

軽油とメタノールとの２燃料噴射のノズル機構を第２
図に基づいて説明する。第２図は噴射ノズル17部分の要
部断面図を表す。噴射ノズル17には１つの経路20から軽
油が、もう１つの経路19からはメタノールが所定のタイ
ミングで図示しない燃料圧送ポンプから圧送されて来
る。

まず最初は蛍光剤を含む軽油がチェックバルブ17cを
介して圧送されて来る。圧送されてきた軽油はニードル
バルブ17d内部の通路17eを流れ、前記噴射されたメタノ
ールを経路19側へ押し戻しつつ、ニードルバルブ17dと
ノズルボディ17fとの間に形成されている燃料溜り17gに
流れ込む。軽油の圧送が停止し、メタノール側の圧送が
開始されると、経路19からメタノールが燃料溜り17gに
流れ込もうとする。このため、軽油に圧力がかかるが、
軽油の経路20側にはチェックバルブ17cが存在するので
戻れず、次第に圧力が上がり、最後にニードルバルブ17
dをバルブシート17hからリフトさせて、噴射ノズル17を
開口させる。このことによりノズルボディ17fの先端部
に設けた６つのホール17iから軽油を先頭にして連続的
にメタノールが噴射される。

遅延回路33がこの噴射の好適な瞬間にキセノンフラッ
シュランプ25を発光させることにより、燃料の微粒子群
40からの散乱光及び蛍光にて写真機29内のフィルムを感
光させることになる。

キセノンフラッシュランプ25に設けられたフィルタ透
過後のフラッシュ光のスペクトルは、第３図の実線で示
すごとくである。この領域は、波長400nm前後の紫色の
可視領域から、それより波長の短い近紫外領域までの広
帯域にわたっている。上記蛍光剤OL200IIはこの発光の
内、近紫外領域部分を励起光として、第３図の破線で示
すような緑色の蛍光を発する。

従って噴射容器１内に噴射された軽油とメタノールの
微粒子群の内、軽油の微粒子群は照射される近紫外線に
より緑色に蛍光を発することになる。一方、メタノール
の微粒子群は紫色の照射光を散乱して紫色を呈する。こ
の状態を写真機29で捉えれば、噴射パターンの中に、紫
色と緑色との領域が撮影できるので、軽油とメタノール
の分布を区別して同時に測定することが出来る。また時
間をずらして複数撮影すれば、各々の分布の変化も判明
する。

実際に撮影した写真をコンピュータにより画像処理し
分布図としてパターン化したものを第４図に示す。第４
図（Ａ）、（Ｂ）はパーフロロプロパンを約0.3MPaに充
填した噴射容器１内に噴射した場合の分布を示してい
る。パーフロロプロパンは密度が大きいので、約0.3MPa
でディーゼルエンジン内の噴射時の空気密度と同様な高
密度が得られる。尚、第４図（Ａ）は噴射初期の分布状
態、第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）の状態から所定時間経
過後の噴射中期の分布状態を示している。

この図からも判るように、噴射初期の場合は、噴射ノ
ズル17の噴射中心55から噴射された噴霧の先端部に緑色
部分51が多く存在し、中央から根元の部分に紫色部分53
が多く存在する。従って、この先端部分に軽油の微粒子
群が多く存在し、中央から根元の部分にかけてメタノー
ルが多く存在していることが判る。しかし、その後、噴
射中期となると、逆転して噴射の根元側に緑色部分51が
多く存在している。このことにより、先に噴射された軽
油微粒子群があまり進行せずにメタノール微粒子群に追
い越されていることが判る。

本実施例の微粒子分布状態測定方法によれば、蛍光に
より、微粒子表面の散乱光の中でも、軽油の微粒子群が
メタノールの微粒子群から容易に区別できる。また、メ
タノールの微粒子群はキセノンフラッシュランプ25から
の紫色光を散乱することにより紫色の微粒子群としてそ
れ自身も容易に認識できる。

更に、このようにフィルタを介したキセノンフラッシ
ュランプ25は、軽油の微粒子群の蛍光発光とともにメタ
ノールの微粒子群の散乱光の光源ともなっている。従っ
て簡単な構成で２種の燃料を区別して測定できる装置が
可能となる。

燃料の種類は２種類に限らず、３種類以上でも、１種
類を除いた全ての燃料に各々異なる蛍光を発する蛍光剤
を添加し、残りの１種類については散乱光で判別させる
ようにすれば、全ての燃料の微粒子群が燃料毎に区別可
能である。

更に、３種類以上でも、その内の１種類と他の２種類
以上とを区別するのみであれば、目的とする１種類の燃
料に蛍光剤を添加するのみでもよい。

また、単一の燃料、例えばメタノールあるいは軽油の
みの燃料であっても、蛍光剤を添加した部分と添加して
いない部分とに微粒子群を分けて層状にして噴射して、
上記装置で観察すれば、蛍光剤が添加されて緑色に蛍光
発色している部分と散乱光だけで紫色を呈している部分
とが区別できるので、単一燃料の流動状態も判明する。
勿論、、異なる蛍光剤を添加した燃料を層状に噴射して
も同様に区別できる。

上述した測定方法は、燃料噴射タイプのエンジン分野
ばかりでなく、キャブレータタイプのエンジン分野にお
いても、燃料が霧状に供給されるのでその挙動を想定す
るのに利用することが出来る。

またエンジンの分野に限らず、スプレー塗装時の燃料
微粒子の分布やその変動測定、化学プラント等における
材料の混合状態や漏洩の測定、あるいは液体の微粒子に
限らず粉体（固体微粒子）の分布・変動を測定する分野
にも適用できる。勿論、微粒子を観測することによりそ
の分散媒の各小部分の流れの状況も測定することが可能
である。

［発明の効果］ 本発明は、複数の微粒子群の内の少なくとも１つの微
粒子群に他とは異なる光ルミネッセンスを有する物質を
含ませることにより、微粒子群の少なくとも１つが、励
起光の照射に対して他の微粒子群とは異なる発光状態を
呈するように複数の微粒子群を調製し、この複数の微粒
子群が一体となった微粒子流動体に対して励起光を含む
光を照射している。このため、微粒子流動体の少なくと
も一部の微粒子群は蛍光等の光を発生していることから
散乱光などによる影響が少なく、その蛍光色等が容易に
識別可能であるので、他の部分の微粒子群と容易に区別
することができる。従つて、複数種類の微粒子群の内の
少なくとも１つの分布状態、あるいは単一種類の微粒子
群の各部分の分布状態が測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例が適用されている噴射燃料測
定装置のシステム構成図、第２図はその噴射ノズルの要
部断面図、第３図はキセノンフラッシュランプのフィル
タ透過波長特性と蛍光波長特性とを示すグラフ、第４図
（Ａ）は高密度雰囲気下の噴射初期燃料分布図、第４図
（Ｂ）はその状態から所定時間経過後の噴射中期燃料分
布図を示す。 １…噴射容器、15…燃料噴射弁 17…噴射ノズル 19…燃料供給経路（メタノール供給用） 20…燃料供給経路（蛍光剤添加軽油供給用） 21…圧力センサ、23…入射窓 25…キセノンフラッシュランプ 27…観測窓、29…写真機 33…遅延回路、35…制御装置 51…緑色部分（軽油微粒子群） 53…紫色部分（メタノール微粒子群）

フロントページの続き (72)発明者 斉藤 昭則 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 ＭＥＬＴＯＭ Ｌ Ａ （他１名）, “ＶＡＰＯＲ／ＬＩＱＵＩＤ ＶＩＳＵ ＡＬＩＺＡＴＩＯＮ ＩＮ ＦＵＥＬ ＳＰＲＡＹＳ”，Ｔｗｅｎｔｉｅｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （Ｉｎｔｅｒｎａ ｔｉｏｎａｌ） ｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔ ｉｏｎ／Ｔｈｅ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，1984年，1283− 1290 ＭＥＬＴＯＭ Ｌ Ａ （他２名）, “Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅ ｒ ｆｕｅｌ ｓｐｒａｙ ａｎａｌｙ ｓｉｓ ｕｓｉｎｇ ｅｘｃｉｐｌｅｘ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ：Ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｖａｐｏｒ／ｌｉｑ ｕｉｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｓ，ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｐｒｅｓｓ ｕｒｅ”，Ｐａｐ Ｔｅｃｈ Ｍｅｅｔ Ｃｅｎｅ Ｓｅａｅｓ Ｓｅｃｔ Ｃ ｏｍｂｕｓｅ Ｉｎｓｔ ＣＳＳ Ｃ Ｉ，1985年，85−２−６Ａ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の微粒子群の内の少なくとも１つに他
   とは異なる光ルミネッセンスを有する物質を含ませ、残
   りの微粒子群に光ルミネッセンスを有する物質を含ませ
   ないことにより、所定の励起光の照射に対して、前記光
   ルミネッセンスを有する物質を含む微粒子群はそれぞれ
   異なる発光状態を呈し、前記光ルミネッセンスを有する
   物質を含まない微粒子群は散乱光を発するように複数の
   微粒子群を調製し、この複数の微粒子群が一体となった
   微粒子流動体に対して前記励起光を含む光を照射するこ
   とにより、少なくとも１つの微粒子群を他の微粒子群と
   区別して測定可能とする微粒子分布状態測定方法。