JPH06288871A - 同期撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一連の燃料噴霧の生成過程および燃焼過程を
燃料が気化された状態および燃焼後の排気ガスの状態を
撮影しその順序にしたがって記録できるようにする。 【構成】 シリンダにその先端が装着された観測プロー
ブの出力画像をカメラで撮影し記録する同期撮影装置に
おいて、シリンダ内の気体もしくは液体に蛍光を励起さ
せるパルス光を内燃機関の動作に同期して照射するレー
ザを備え、パルス光を照射して発光した蛍光のスペクト
ルに応じてフィルタにより分光し撮影する。 【効果】 シリンダ内で高速に変化する燃焼ガスの生成
から消滅までのすべての過程を詳細かつ正確に観測する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧環境その他特殊環
境下で周期的に生起する現象にきわめて正確に同期させ
て露出を行う同期撮影装置に利用する。本発明は内燃機
関の設計および改良に利用するために開発されたもので
あるが、その他特殊環境の高圧の容器内部で生起する現
象の観測に利用できる。本発明の装置は、内燃機関のシ
リンダ内部での爆発燃焼の現象、燃料噴射の現象、その
他をきわめて精密に観測するために利用する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関のシリンダ内部で発火直後に燃
焼状態がどのように伝播するかを超高速カメラにより撮
影することが試みられた。そのための堅固な光学的な観
測プローブが開発された。これはオーストリア国の計測
器メーカＡＶＬ社のものであり市販品として購入するこ
とができる。この観測プローブは先端部分がきわめて堅
固にできた胃カメラと同様構造のものであり、その先端
部分は人の指程度の大きさである。内燃機関のシリンダ
に観測孔を設け、その観測孔に燃料噴射口あるいは点火
プラグと同様の構造で観測プローブの先端部分を取付
け、光ファイバまたはレンズ系よりその光学的映像を超
高速カメラのレンズ系に導入することができる。その先
端部分と並列的に別の孔を設けて、その孔にフラッシュ
ランプあるいは照明用のランプを取付け、光ファイバと
並べて実装された電線から電流を供給してこれを点灯す
ることもできる。内燃機関のシリンダにこの装置を装着
して内燃機関を運転してみると、内燃機関の燃焼爆発に
対しても破損することなく光学的な映像を取り出すこと
ができる。

【０００３】本願発明者は、この装置を用いて内燃機関
のシリンダ内の燃焼状態をきわめて正確に同期させて撮
影することができる装置を発明し、本願出願人が特許出
願した（特願平４−１０３４８号、本願出願時において
未公開）。この特許出願に係る装置は、超高速カメラの
露出タイミング用基本信号を被観測現象に正確に同期さ
せるとともに、所望の観測タイミングをこの基本信号に
対して微細にかつ正確に操作調節できる装置であって、
その被観測環境内部（典型的には内燃機関のシリンダ内
部）にその先端が装着される観測プローブを取付け、カ
メラと、前記観測プローブの出力画像を前記カメラに接
続する光学的手段と、前記カメラの露出タイミングを制
御する制御装置とを備えた装置である。この装置は、繰
り返し現象を周期的に生起させる周期的なタイミング制
御信号を電気的信号として別途入力し、そのタイミング
制御信号に同期をとる同期手段と、その同期手段の出力
同期信号を基準として操作により調節可能な操作信号を
発生するタイミング調節手段とを含む同期制御回路を備
え、その操作信号が前記制御装置の同期入力に接続され
る構造のものである。このタイミング制御信号の同期を
とる同期手段にはプログラムされたマイクロプロセッサ
が利用される。

【０００４】さらに本願発明者は上記装置を繰り返し利
用している段階で、内燃機関のシリンダ内部の現象を内
燃機関の回転位相の推移にしたがって撮影する場合に、
必ずしもその現象が生起する時間順に撮影することは適
当ではないことに気づいた。例えば、シリンダ内部で爆
発現象を繰り返し撮影すると、観測プローブの先端が汚
れてしまう。また、燃焼爆発の伝播状態とシリンダ内部
のピストン位置との関係などを知ることが必要になる。

【０００５】このために、燃料噴射（または電気点火）
を一時的に停止させて照明装置を用いて撮影を行い、１
サイクルの間に複数回の撮影を行い、その後に燃焼爆発
の現象を１サイクルの間に多数回にわたり撮影すること
が便利であるが、燃料噴射を一時停止させた状態の撮影
結果と燃焼爆発の現象の撮影結果との１サイクル内での
時間関係あるいは位相関係を特定することに困難があ
り、ある場合には誤認することがあることがわかった。

【０００６】そこで本願発明者は、これを改良するもの
として、マイクロプロセッサにあらかじめ手順をプログ
ラムできるようにしておき、その手順にしたがって撮影
を行うことができ、また、撮影の後にその撮影結果の１
サイクル内での位相の前後関係をわかりやすくかつ誤り
なく表示することができる装置をさらに特許出願した
（特願平４−１７５７０９号、本願出願時において未公
開）。

【０００７】このような改良により、内燃機関の一つの
サイクル中の複数のタイミングでの照明を伴う撮影結果
と、通常の燃焼爆発を行わせたときの自発光の状態の撮
影結果とを位相タイミング順に並べなおす手段をプログ
ラムにより行うことができるようになり、したがって撮
影および並べなおしを単純にあるいは自動的に行うこと
ができ、１サイクル内での位相の前後関係がわかり易く
なるとともに、誤りなく表示することができるようにな
った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような改良がなさ
れた装置を用いることにより、シリンダ内部の爆発燃焼
の現象、燃料噴射の現象を精密に観測できるようになっ
た。しかし、これらの現象の撮影は照明光を照射するこ
とにより行われるために、例えば燃料が霧の状態である
うちはその実態を撮影することは可能であるが、気化さ
れてしまうとそこに照明をあてても撮影は不可能とな
り、気化されてからの現象の推移を記録することができ
ないことがわかった。

【０００９】そこで、本願発明者は燃料が気化された状
態でも撮影できる方法を検討した。一般に、物質に強い
パルス状の光エネルギを照射すると、その光エネルギが
消滅したあと蛍光が励起され残光として観測される現象
が知られている。この蛍光はその物質の種類により異な
るスペクトルになる。この現象を利用して、シリンダ内
の気体もしくは液体にその種類によって異なる蛍光を励
起させることができれば、その蛍光を撮影することによ
って燃焼過程の観測および分析をより精密に行えること
に気づいた。

【００１０】本発明はこのような背景のもとに行われた
もので、燃料噴霧の生成過程および燃焼過程を蛍光励起
により一連の順序に従って撮影記録することができる装
置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、繰り返し現象
が周期的に生起する高圧の被観測環境（典型的には内燃
機関の一つのシリンダ）の内部に、その先端が装着され
る観測プローブと、カメラと、前記観測プローブの出力
画像を前記カメラに接続する光学的手段と、前記カメラ
の露出タイミングを制御する制御装置とを備えた同期撮
影装置において、前記高圧の被観測環境内の気体もしく
は液体に蛍光を励起させるパルス光を前記内燃機関の動
作に同期して照射するレーザを備えたことを特徴とす
る。

【００１２】前記光学的手段には、観測する蛍光のスペ
クトルに応じて装着される１または２以上のフィルタを
備え、また、あらかじめ設定された手順にしたがって撮
影された複数の記録映像を被観測現象に対応して配列し
なおすための順序情報を蓄積する手段およびその順序情
報を表示する手段を備えることが望ましい。

【００１３】

【作用】レーザにより高圧の被観測環境（内燃機関のシ
リンダ）内の気体もしくは液体に蛍光を励起させるパル
ス光を内燃機関の動作に同期して照射する。その気体も
しくは液体に励起された蛍光を観測プローブにより取り
込み、その出力画像を露出タイミングを制御しながらカ
メラにより撮影する。

【００１４】レーザからのパルス光により励起する蛍光
は、対象となる気体もしくは液体の種類によって発光色
が異なるので、観測プローブにより取り込んだ蛍光のス
ペクトルに応じたフィルタを用いて分光しカメラに送出
する。

【００１５】その撮影にあたっては、高圧環境内の被観
測繰り返し現象を生起させるための周期的なタイミング
制御信号をその被観測環境から別途入力し、タイミング
制御信号に同期した操作信号を生起する。この操作信号
の発生をあらかじめ設定された手順で複数順次生成させ
るように制御する。また、被観測環境に供給する燃料そ
の他を一時的に遮断する燃料遮断バルブあるいは電気点
火装置に供給する電流を一時的に遮断する開閉回路が設
けられている場合には、これらの燃料遮断バルブの制御
信号あるいは開閉回路制御信号をあらかじめ設定された
手順にしたがって順次発生するように制御する。

【００１６】本発明の装置を内燃機関のシリンダ内部で
起こっている現象を観測するために利用する場合には、
観測のはじめにその観測対象となるシリンダについて、
燃料噴射の遮断あるいは点火回路の遮断などにより、燃
焼爆発を一時的に抑制しておき一連の観測および撮影を
行う。観測対象以外のシリンダは通常どおり燃料の燃焼
爆発を行い内燃機関を回転させる。この燃焼爆発を一時
的に抑制しているときには、内燃機関の１つのサイクル
の中の適当に間隔をあけた複数のタイミングで蛍光を励
起するパルス光を照射し撮影を行う。次に、燃料通路あ
るいは点火回路を接続して通常の燃焼爆発を行わせて、
その場合の自発光の状態を観測撮影する。この場合にも
１つのサイクルの中のさまざまな位相タイミングで撮影
を行う。

【００１７】この一連の撮影が完了してから、蛍光励起
による撮影結果と自発光の撮影結果とを１つのサイクル
の中の位相タイミングの順に並べなおす。

【００１８】本発明の装置では、これをあらかじめプロ
グラムしてマイクロプロセッサおよびその記憶回路に蓄
積しておき、撮影およびその並べなおしを単純にあるい
は自動的に実行することができる。

【００１９】このようにレーザ光による励起光を用いて
撮影することにより、従来照明による撮影が不可能であ
った気化状態時の現象も詳細に画像として記録すること
ができ、１サイクル内での燃料の気化過程、拡散過程お
よび燃焼過程をさらに詳しく分析することができる。

【００２０】

【実施例】次に、本発明実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明実施例の構成を示すブロック図、図２
は本発明実施例における光学的手段の構成を示す図であ
る。

【００２１】本発明実施例は、被観測内燃機関１の一つ
のシリンダにその先端が装着される観測プローブ２と、
ストリークカメラ７およびＣＣＤカメラ８と、観測プロ
ーブ２の出力画像をストリークカメラ７およびＣＣＤカ
メラ８に接続する光学的手段４と、ストリークカメラ７
およびＣＣＤカメラ８の露出タイミングを制御する制御
装置５とを備え、さらに、本発明の特徴として、前記シ
リンダ内の気体もしくは液体に蛍光を励起させるパルス
光を被観測内燃機関１の動作に同期して照射するレーザ
励起装置９を備える。

【００２２】また、光学的手段４には、観測する蛍光の
スペクトルに応じた個数のフィルタが備えられる。図２
に示す例では、三つのフィルタ４_b1、４_b2、４_b3が備え
られ、このそれぞれに対応してハーフミラー４_a1、
４_a2、４_a3およびミラー４_c1、４_c2、４_c3が配置され
る。これらそれぞれの光学系は、例えばＮＯ、ＯＨ、Ｈ
ＣＯが発する蛍光を分離してカメラに送出する。

【００２３】さらに、燃料供給装置６に設けられ、被観
測シリンダについて電気的なバルブ制御信号に応じて燃
料供給を一時的に遮断する燃料遮断バルブ６ａを制御す
るバルブ制御信号発生手段１３と、前記繰り返し現象を
周期的に生起させる周期的なタイミング制御信号とし
て、被観測内燃機関１の主軸が７２０度回転する毎に発
生する７２０度信号Ｔ１および同じく主軸が３０度回転
する毎に発生する３０度信号（または回転角度を表すた
めの多数パルスでもよい）Ｔ２を入力し、そのタイミン
グ制御信号に同期をとる同期手段１１と、その同期手段
１１の出力同期信号に対して操作により調節可能な操作
信号を発生するタイミング調節手段１２とを備える。こ
れらは同期制御回路１０に実装される。

【００２４】この同期制御回路１０には記憶装置２０お
よび入出力装置としてＣＲＴ表示器３０ａとキーボード
３０ｂが接続される。この同期制御回路１０、記憶装置
２０、入出力装置（３０ａおよび３０ｂ）は、市販のパ
ソコンおよび電気信号の入出力端に設ける簡単なインタ
フェースにより実現することができる。

【００２５】さらに、前記同期制御回路１０の同期手段
１１に、被観測内燃機関１からタイミング制御信号Ｔ１
およびＴ２を取り込み、あらかじめ設定された手順にし
たがって燃料遮断バルブ６ａ、レーザ励起装置９、およ
び制御装置５を制御して、被観測内燃機関１の複数の回
転位相について、燃料遮断バルブ６ａが動作して燃料が
遮断された状態、および燃料遮断バルブ６ａが動作せず
燃料が供給された状態での撮影を制御する手段を備え
る。

【００２６】また、記憶装置２０には、あらかじめ設定
された手順にしたがって撮影された複数の記録映像を複
数の回転位相の順に配列しなおすための順序情報が蓄積
され、ＣＲＴ表示器３０ａにはその順序情報が表示され
る。

【００２７】ここで、このように構成された本発明実施
例装置による観測動作の一例を説明する。

【００２８】まず、観測対象となるシリンダについて、
一つのサイクル中の複数の位相タイミングにおけるピス
トンの位置を観測するために、燃焼爆発を一時的に抑制
しておき一連の観測および撮影を行う。その動作は図３
に示すフローチャートの流れにしたがって行われる。

【００２９】まず、被観測内燃機関１を起動し、キーボ
ード３０ｂから撮影しようとするシリンダへの燃料供給
遮断の指示を与えると、同期制御回路１０のバルブ制御
信号発生手段１３が燃料遮断バルブ６ａにバルブを制御
する信号を出力する。この制御信号を受けた燃料遮断バ
ルブ６ａは指定されたシリンダへの燃料供給を一時的に
遮断してその指定されたシリンダの燃焼を停止させる。

【００３０】被観測シリンダ以外のシリンダへの燃料の
供給はそのまま継続される。被観測内燃機関１の回転を
安定に持続させながら被観測シリンダ内を燃焼のない状
態にする。このような状態でキーボード３０ｂから同期
制御回路１０にタイミング制御信号の取り込みを指示す
ると、同期手段１１は被観測内燃機関１が発生している
タイミング制御信号Ｔ１およびＴ２を取り込み同期処理
を行う。同期がとれたときにあらかじめ設定された基準
角度θ₀ でストリークカメラ７およびまたはＣＣＤカメ
ラ８が駆動するように起動信号を送出する。ストリーク
カメラ７およびまたはＣＣＤカメラ８はこの起動信号を
受けたことを制御装置５に通知する。制御装置５はその
通知により露出のタイミングを設定して撮影準備完了を
示す応答信号を同期制御回路１０のタイミング調節手段
１２に出力する。

【００３１】タイミング調節手段１２はこの応答信号に
より第一段階の同期が確立したものとして、その旨をＣ
ＲＴ表示器３０ａに表示し操作者に観測角度の入力を促
す。操作者がキーボード３０ｂから基準角度θ₀ を基準
とする撮影しようとする所望の角度θ₁ を入力すると、
同期制御回路１０のタイミング調節手段１２が制御装置
５に操作信号を送出する。

【００３２】操作信号を受けた制御装置５は、レーザ励
起装置９に照射同期信号を出力して光学レンズ１４を通
してパルス光を照射させるとともに、すでに起動信号を
受けてレディ状態にあるストリークカメラ７およびまた
はＣＣＤカメラ８を駆動し観測プローブ２からの出力画
像を光学的手段４を介して取り込み撮影を行う。

【００３３】光学的手段４は、図２に示すように、観測
プローブ２からの励起光をハーフミラー４_a1、４_a2、４
_a3により分光し、そのそれぞれをフィルタ４_b1、４_b2、
４_b3を通してミラー４_c1、４_c2、４_c3で反射させ、スト
リークカメラ７およびまたはＣＣＤカメラ８に送出す
る。

【００３４】図２に示す例は、励起光をＮＯ、Ｏ
Ｈ、ＨＣＯのスペクトルに分光したものであるが、光
学手段４には必要に応じた光学系を配置することができ
るので、そのそれぞれの物質に対応する波長の励起光を
ストリークカメラ７またはＣＣＤカメラ８に送出するこ
とができる。

【００３５】続いて基準角度θ₀ を基点とする次の撮影
角度θ₂ がキーボード３０ｂから指定されると、この指
定にしたがって基準角度θ₀ からθ₂ のタイミング設定
動作を再度行い、初期状態を設定し直して同様の撮影動
作を繰り返す。

【００３６】このようにして燃焼爆発を一時的に抑制し
ているときには、被観測内燃機関１の一つのサイクルの
中の適当に間隔をあけた複数のタイミングでパルス光の
照射を伴う撮影を行う。

【００３７】次に、燃料通路あるいは点火回路を接続し
て通常の燃焼爆発を行わせて自発光の状態の観測撮影を
行う。その動作は図４に示すフローチャートの流れにし
たがって行われる。

【００３８】撮影しようとする所望の角度θ₁ があらか
じめ入力されており、その角度θ₁より以前に、バルブ
制御信号発生手段１３が燃料遮断バルブ６ａに燃料供給
の遮断解除を示すバルブ制御信号を出力する。これを受
けた燃料供給装置６は被観測シリンダ内に燃料の供給を
開始する。その直後にタイミング調節手段１２が制御装
置５に操作信号を送出する。

【００３９】操作信号を受けた制御装置５は、レーザ励
起装置９への同期信号の送出を停止して、すでに起動信
号を受けてレディ状態にあるストリークカメラ７および
またはＣＣＤカメラ８を駆動し、一つのサイクルの中の
さまざまな位相タイミングで燃焼爆発に伴う自発光およ
び励起光による撮影を行う。この自発光による撮影は必
ずしも燃焼過程に沿った位相順で行われなくてもよく、
撮影し易い順序で行うことができる。

【００４０】このようにして一連の撮影が完了すると、
同期制御回路１０は励起光照射を伴う撮影結果と自発光
の撮影結果とを一つのサイクルの中の位相タイミングの
順に並べなおし、回転位相の順に配列しなおすための順
序情報として記憶装置２０に記憶するとともに、ＣＲＴ
表示器３０ａに表示する。これにより撮影結果の１サイ
クル内での位相の前後関係をわかり易くかつ誤りなく表
示することができる。

【００４１】図５は本実施例装置による撮影結果の例を
示すもので、（ａ）は励起光照射タイミングを示し、
（ｂ）〜（ｅ）は撮影タイミングを示す。

【００４２】この例は、前述した手順によりＡ、Ｂ、
Ｃ、およびＤの位相タイミングで励起光照射による撮影
が行われた後に、同図（ｂ）に示すようにθ₁ ＝Ａ１〜
Ａ４のタイミングで撮影し、次いで同図（ａ）に示すタ
イミングＢからタイミングＣまでをθ₁ ＝Ｂ１〜Ｂ４の
タイミングで撮影し、次に、同図（ａ）に示すタイミン
グＣからタイミングＤまでをタイミングθ₁ ＝Ｃ１〜Ｃ
４で撮影し、さらに、同図（ａ）に示すタイミングＤを
θ₁ ＝Ｄ１〜Ｄ４のタイミングで撮影し、順序を整理す
るものである。

【００４３】なお、本装置をガソリンを燃料とする４サ
イクルの内燃機関においても同様に実施することができ
る。

【００４４】上記実施例の説明は、被観測環境が内燃機
関のシリンダである場合について詳しく述べたが、本発
明は繰り返し現象が周期的に生起する高圧の被観測環境
について広く実施することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
圧の被観測環境内に生起する一連の燃料噴霧から、気化
過程、拡散過程および燃焼過程などをレーザにより励起
された蛍光を併用しながら撮影することができるので、
燃料が気化されて通常の光学的な照明では観測できない
状態や燃焼の後に発生する気体の状態などをその順序に
したがって詳細に観測し記録することができる。

【００４６】また、蛍光のスペクトルをフィルタを使用
して分光することにより、被観測環境内で発生している
物質の種別を時間の経過にしたがって特定することがで
きる。

【００４７】本発明の装置を利用することにより、内燃
機関のシリンダその他高圧容器の内部で生起する現象を
きわめて詳細に観測することができるようになる。本発
明の装置を利用することにより内燃機関の設計、その他
に有用なデータを提供することができる。特に、内燃機
関のシリンダ内で燃料が合理的に燃焼し、その燃焼の結
果生じる排気ガスが地球環境にとって有害にならないよ
うに、内燃機関を設計するために有用な資料を提供する
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の構成を示すブロック図。

【図２】本発明実施例における光学的手段の構成を示す
図。

【図３】本発明実施例における励起光照射による撮影動
作の流れを示すフローチャート。

【図４】本発明実施例における自発光による撮影動作の
流れを示すフローチャート。

【図５】（ａ）は本発明実施例における励起光照射によ
る撮影結果を示す図、（ｂ）〜（ｅ）は本発明実施例に
おける自発光による撮影結果を示す図。

【符号の説明】

１ 被観測内燃機関 ２ 観測プローブ ３ カメラ ４ 光学的手段 ４_a1、４_a2、４_a3 ハーフミラー ４_b1、４_b2、４_b3 フィルタ ４_c1、４_c2、４_c3 ミラー ５ 制御装置 ６ 燃料供給装置 ６ａ 燃料遮断バルブ ７ ストリークカメラ ８ ＣＣＤカメラ ９ レーザ励起装置 １０ 同期制御回路 １１ 同期手段 １２ タイミング調節手段 １３ バルブ制御信号発生手段 １４ 光学レンズ ２０ 記憶装置 ３０ａ ＣＲＴ表示器 ３０ｂ キーボード

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繰り返し現象が周期的に生起する高圧の
   被観測環境内部にその先端が装着される観測プローブ
   と、カメラと、前記観測プローブの出力画像を前記カメ
   ラに接続する光学的手段と、前記カメラの露出タイミン
   グを制御する制御装置とを備えた同期撮影装置におい
   て、 前記高圧の被観測環境内の気体もしくは液体に蛍光を励
   起させるパルス光を前記内燃機関の動作に同期して照射
   するレーザを備えたことを特徴とする同期撮影装置。
2. 【請求項２】 前記高圧の被観測環境は内燃機関の一つ
   のシリンダである請求項１記載の同期撮影装置。
3. 【請求項３】 前記光学的手段には、観測する蛍光のス
   ペクトルに応じて装着される１または２以上のフィルタ
   を備えた請求項１または２記載の同期撮影装置。
4. 【請求項４】 あらかじめ設定された手順にしたがって
   撮影された複数の記録映像を被観測現象に対応して配列
   しなおすための順序情報を蓄積する手段およびその順序
   情報を表示する手段を備えた請求項１または２記載の同
   期撮影装置。