JP7455485B2 - 均質混合気供給装置 - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 開催日 ： 令和 ２年 ９月２４日 集会名 ： 第４８回 可視化情報シンポジウム 開催場所 ： 新型コロナウィルス感染症の影響に伴い、当該シンポジウムはＷｅｂ開催として、インターネット上で行われた。オンライン講演及び講演論文集にアクセスするためのアドレスはそれぞれ、以下の通り（但し、アクセス権限即ちＩＤ及びパスワードを有している者のみがアクセスできる）。 ｈｔｔｐｓ：／／ｖｓｊ－ｓｙｍｐ２０２０．ｗｅｂｅｘ．ｃｏｍ／ｖｓｊ－ｓｙｍｐ２０２０－ｊｐ／ｏｎｓｔａｇｅ／ｇ．ｐｈｐ？ＭＴＩＤ＝ｅ１７１ｃ１９ｆｆ１７ｆ２５５ｄａ７５２１ｆ７０６ｃ５ｄ６ｄａ３２（イベント番号：１７０ ９６０ ６９２７） ｈｔｔｐｓ：／／ｓｈｕｎｋｏｓｈａ１．ｓａｋｕｒａ．ｎｅ．ｊｐ／ｖｓｊ２０２０／ 公開者 ： ダイハツ工業株式会社
本発明は、所望の空燃比に調整した高度に均質な混合気を供給することのできる装置に関する。
内燃機関の気筒における混合気の燃焼やノッキングの発生等の事象を分析、探求する目的で、レーザ誘起蛍光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）により気筒に吸入された混合気の分布の挙動を観測することが試みられている。
ＬＩＦでは、予め蛍光剤（例えば、トルエン）を添加した燃料を吸気に噴射して混合気を得、その混合気を透明なガラスシリンダに吸入させ、かつその混合気に対してレーザ光を照射して蛍光剤を蛍光発光させる。そして、状況を高速度カメラにより撮影する。混合気中の蛍光剤の密度が高くなると、蛍光強度即ち輝度が高くなる。よって、撮影画像上の輝度の濃淡から、筒内の燃料の分布を知得することができる。輝度の高い箇所は燃料が濃く、輝度の低い箇所は燃料が薄いということになる（以上、下記先行技術文献を参照）。
田村 雅之、田井 秀男"レーザー誘起蛍光による濃度・温度測定"、学会誌「ながれ」、一般社団法人日本流体力学会、平成１１年、第１８巻、第４号、ｐ．２２２－２２７
吸気が流通する吸気管路に燃料供給装置であるインジェクタから燃料を噴射し、しかる後気筒に吸入される混合気は、全体的に均質なものではなく、空気（そして、それに含まれる酸素）の濃度にしても燃料（及び、蛍光剤）の濃度にしても局所的なむらが生じる。このことは、車両等に搭載され実際に運用されている内燃機関でも同じである。
それ故、上述のＬＩＦを用いたとしても、筒内の各所における混合気の空燃比の値を精確に知ることは困難である。把握できるのはあくまでも、ある箇所の燃料及び蛍光剤の密度が他の箇所のそれよりも相対的に濃い、または薄いといった定性的なことに限られる。筒内の各所の空燃比の値が明らかでない以上、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）による解析、計算によっても、燃焼やノッキングの発生等を高い精度で予測することはできない。
本発明は、以上の問題に着目してなされたものであり、所望の空燃比に調整した高度に均質な混合気を気筒に供給できる混合気供給装置を提供しようとするものである。
本発明では、気蛍光剤を添加した燃料と吸気との混合気を気筒に吸引させこれにレーザ光を照射して蛍光剤を蛍光させて観測するＬＩＦを用いるにあたり、その蛍光輝度と実際の空燃比との関係を求めるキャリブレーションを行うために使用できる均質混合気供給装置であって、気筒に連なり気筒に吸入される吸気が流通する吸気管路と、この吸気管路に流入する吸気に対して燃料を加える燃料供給装置とを具備し、前記吸気管路における、前記燃料供給装置から当該燃料供給装置の下流かつ気筒の上流にある絞りまたはスロットルバルブまでの管路長Ｌを、燃料供給装置から吸気に加えられる燃料が吸気管路内で気化するのに要する時間Ｔと、気筒に吸入される吸気の単位時間あたりの流量Ｖとを基に、Ｌ＞Ｔ×Ｖとなるように設定した均質混合気供給装置を構成した。
本発明によれば、所望の空燃比に調整した高度に均質な混合気を気筒に供給できる混合気供給装置を実現することができる。
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に示す本実施形態の均質混合気供給装置０は、吸気が流入しその吸気を気筒４まで導く吸気管路１と、吸気管路１の中途で当該吸気管路１を流通する吸気に対して燃料を加える燃料供給装置２と、吸気管路１における燃料供給装置２の上流及び下流にそれぞれ配設したヒータ３１、３２と、吸気管路１における燃料供給装置２の上流及び燃料供給装置２の近傍に敷設した油水恒温装置３３と、吸気管路１における燃料供給装置２の下流で吸気の流路断面積を縮小させる絞り（オリフィス）１２とを備えている。
燃料供給装置２は、普遍的な内燃機関にも実装される、吸気に対して燃料を噴射するインジェクタである。燃料には、予め蛍光剤、例えばトルエン等が添加されており、この蛍光剤と燃料とをともに吸気に向けて噴射することになる。なお、燃料供給装置２として、キャブレタ（気化器）を採用することを妨げない。
燃料供給装置２の上流のヒータ３１は、吸気管路１に流入する吸気を予め加温し、以て燃料の気化及び混合を促進するものである。
油水恒温装置３３は、吸気管路１の最上流部のエアクリーナ１１、吸気管路１及び燃料供給装置２の近傍に流体を流し、かつその流体を適宜の温度に調温してその温度を維持するべく熱交換を行うものである。油水恒温装置３３は、ヒータ３１とともに、燃料供給装置２から燃料が加えられる吸気の温度、圧力及び湿度を所望の状態に保つために働く。
燃料供給装置２の下流のヒータ３２は、例えば、吸気管路１の外周に巻き付けられるリボンヒータ（または、テープヒータ）であり、燃料が加えられた吸気を再び加温して燃料の気化及び混合を促進するものである。
絞り１２は、吸気管路１の終端近傍の部位、スロットルバルブ１３の直上流にあって、燃料が加えられた吸気即ち混合気の均質性をより一層向上させるために設けられている。吸気管路１の内径が例えば４０ｍｍであれば、絞り１２の内径は例えば１０ｍｍに設定する。スロットルバルブ１３の下流には、気筒４が所在する。
しかして、本実施形態では、吸気管路１における、燃料供給装置２から絞り１２またはスロットルバルブ１３までの管路長Ｌを、燃料供給装置２から加えられた燃料が完全に蒸発し吸気と十分に混ざり合うような長さに設定している。詳述すると、燃料供給装置２から吸気に加えられる燃料が吸気管路１内で気化するのに要する時間Ｔと、吸気管路１を流通して気筒４に吸入される吸気の単位時間あたりの流量Ｖとに基づき、Ｌ＞Ｔ×Ｖとなるように管路長Ｌを決定する。
具体例を挙げると、燃料供給装置２たるインジェクタから噴射される燃料の液滴の平均粒子径（特に、体表面積平均径（Ｓａｕｔｅｒ Ｍｅａｎ Ｄｉａｍｅｔｅｒ））より１０％以上大きい、直径０．０５ｍｍの燃料液滴が、６０℃の環境条件下で蒸発する時間Ｔを求めると、０．２７秒となる（参考文献：嶽間沢 秀孝“高温壁面上における燃料の蒸発特性”、近畿大学工学部研究報告、平成２３年、Ｎｏ．４５、ｐ．９９－１０２）。他方、吸気管路１内での吸気の平均流速Ｖを熱線流速計で計測した結果が３．１６ｍ／秒であったとすると、管路長Ｌは０．８５ｍ以上必要であるということになる。
図２は、ＬＩＦを用いた気筒４内の混合気の濃度分布の計測システムの概要である。内燃機関の気筒４に相当する透明なガラスシリンダの吸気ポートに、本実施形態の均質混合気供給装置０が生成した、所望の空燃比に調整した均質な混合気を供給し、これをガラスシリンダ４に吸入させる。
そして、ガラスシリンダ４に対してレーザ光を照射し、シリンダ４内の混合気に含まれる蛍光剤を蛍光発光させ、その様相を高速度カメラ７により撮影、観測する。レーザ発振器５は、蛍光剤が吸収して蛍光することのできる波長帯のレーザを出力する。一例として、蛍光剤がトルエンである場合、レーザ発振器５は波長２６６ｎｍのレーザ光を出力するＮｄ：ＹＡＧレーザであり、そのレーザ光をミラー６１及びシリンドリカルレンズ６２を介してシート光化した上で、シリンダ４に入射させる。
本実施形態では、蛍光剤を添加した燃料と吸気との混合気を気筒４に吸引させこれにレーザ光を照射して蛍光剤を蛍光させて観測するＬＩＦを用いるにあたり、その蛍光輝度と実際の空燃比との関係を求めるキャリブレーションを行うために使用できる均質混合気供給装置０であって、気筒４に連なり気筒４に吸入される吸気が流通する吸気管路１と、この吸気管路１に流入する吸気に対して燃料を加える燃料供給装置２とを具備し、前記吸気管路１における、前記燃料供給装置２から絞り１２または気筒４の上流のスロットルバルブ１３までの管路長Ｌを、燃料供給装置２から吸気に加えられる燃料が吸気管路１内で気化するのに要する時間Ｔと、気筒４に吸入される吸気の単位時間あたりの流量Ｖとを基に、Ｌ＞Ｔ×Ｖとなるように設定した均質混合気供給装置０を構成した。
本実施形態によれば、所望の空燃比に調整した、そして高度に均質なむらのない混合気を気筒４に供給することができる。これを利用して、上述のＬＩＦにおける、高速度カメラ７により撮影した画像の輝度（画素値）と、その輝度に対応する実際の空燃比の値との関係を知ることができ、ＬＩＦシステムのキャリブレーションを行うことが可能となる。
このようなキャリブレーションを実行した後、ＬＩＦにより実際の内燃機関に近い（本実施形態の均質混合気供給装置０を使用しない、実機に近い吸気系及び燃料噴射により生成した混合気を気筒４に吸入させた）状態での筒内流動を撮影すれば、筒内の混合気の空燃比の分布をより精確に確認することが可能となり、燃焼やノッキングの発生の予測精度の向上を見込める。
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
０…均質混合気供給装置
１…吸気管路
１３…スロットルバルブ
２…燃料供給装置
４…気筒
Ｌ…管路長
１…吸気管路
１３…スロットルバルブ
２…燃料供給装置
４…気筒
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Claims (1)
- 蛍光剤を添加した燃料と吸気との混合気を気筒に吸引させこれにレーザ光を照射して蛍光剤を蛍光させて観測するレーザ誘起蛍光法を用いるにあたり、その蛍光輝度と実際の空燃比との関係を求めるキャリブレーションを行うために使用できる均質混合気供給装置であって、
気筒に連なり気筒に吸入される吸気が流通する吸気管路と、この吸気管路に流入する吸気に対して燃料を加える燃料供給装置とを具備し、
前記吸気管路における、前記燃料供給装置から当該燃料供給装置の下流かつ気筒の上流にある絞りまたはスロットルバルブまでの管路長Ｌを、燃料供給装置から吸気に加えられる燃料が吸気管路内で気化するのに要する時間Ｔと、気筒に吸入される吸気の単位時間あたりの流量Ｖとを基に、Ｌ＞Ｔ×Ｖとなるように設定した均質混合気供給装置。
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ID=81605307
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