(57)【要約】【課題】燃焼にとって重要な「当量比」について注目し、「成分不明な複数種類の燃料が混在する予混合気の当量比」の計測手法を提案し、その提案を流れ場の密度分布を計測する「定量シュリーレン三次元CT計測法」に適用し、当該予混合気が存在する流れ場の瞬間三次元当量比分布の計測を可能とする。【解決手段】単種燃料あるいは多種混在燃料の予混合ガスの屈折率を得る計測部と、屈折率から予混合ガスの当量比を算出する当量比の計算式を有する演算部と、からなる予混合ガスの当量比計測装置である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単種燃料あるいは多種混在燃料の予混合ガスの屈折率を得る計測部と、
屈折率から予混合ガスの当量比を算出する当量比の計算式を有する演算部と、
からなる予混合ガスの当量比計測装置。
【請求項２】
前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料の混在する予混合ガスであって、
前記計算式は、式（１００）であることを特徴とする請求項１に記載する当量比計測装置。
y = 0.00003308x + 1.00027262314                      （１００）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
【請求項３】
前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種が予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１１０）であることを特徴とする請求項１に記載の当量比計測装置。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの平均値）x + 1.00027262314    （１１０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
【請求項４】
前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種と混在割合が予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１２０）であることを特徴とする請求項１に記載の当量比計測装置。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの、混在割合による荷重平均値）x
+ 1.00027262314                                          （１２０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
【請求項５】
前記予混合ガスから水、水素、メタン、及び、エタンのうち１つ以上を除去する除去部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【請求項６】
前記予混合ガスの温度と、計算式の算出条件の温度とを合わせることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【請求項７】
前記予混合ガスの圧力と、計算式の算出条件の圧力とを合わせることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比によりガス漏れを検知するガス漏れ警報器。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比により、吸入管あるいは筒内の予混合ガスの当量比を計測するエンジン用空燃比センシングシステム。
【請求項１０】
１次元情報あるいは２次元情報を計測する光学的計測システムにおいて、第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間あるいは時系列の当量比分布を計測することを特徴とする光学的計測システム。
【請求項１１】
多方向定量シュリーレンカメラによる三次元シュリーレンＣＴ計測システムにおいて、第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間の当量比を計測し、当量比の三次元分布の瞬間分布あるいは時系列分布を計測することを特徴とする三次元シュリーレンＣＴ計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスの当量比計測装置、ガス漏れ警報器、および三次元シュリーレンＣＴ計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼装置などにおいて、燃料ガスあるいは燃料蒸気を空気に混入させることを、予混合と呼び、混合気体は予混合ガスと呼ばれる。
【０００３】
また、空気に対して、燃料ガスが意図せず漏れ出し、予混合ガスとなることは「ガス漏れ」と呼ばれ、危険な状態であるとされる。
【０００４】
このように、予混合ガス中の燃料成分の濃度は、その予混合ガスの点火後の燃焼状態の良否や、中毒、爆発などの危険性を決定する重要な特性量である。
【０００５】
しかし、最も活発な燃焼をもたらす燃料成分濃度は、その燃料種類ごとに大きく異なるので、燃焼技術分野では、燃焼状態や危険性を記述するために、予混合ガス中の燃料成分の濃度ではなく、「当量比F」を用いることが多い。
【０００６】
「当量比」は、燃料と酸化剤（空気）との混合割合を与える値であり、燃焼にとって、適正混合・燃料過剰・空気過剰などの状態を表現する、極めて重要なパラメーターである。
【０００７】
ある燃料種の予混合ガスの「当量比F」は、以下のように定義される。
【０００８】
まず、最も活発な燃焼がもたらされるときの燃料と空気の割合により、その燃料の理論空気量を
（その燃料種の理論空気量Ath）＝（空気の量）／（燃料の量）
と定義する。
【０００９】
つぎに、当該予混合ガスの空気比を
（当該予混合ガスの空気比A）＝
（当該予混合ガスの空気の量）／（当該予混合ガスの燃料の量）
と定義すると、当該予混合ガスの当量比は、
（当量比F）＝（その燃料種の理論空気量Ath）／（当該予混合ガスの空気比A）
と定義される。
【００１０】
ちなみに、空気比は
（空気比）＝１／（当量比F ）
の関係にあり、当量比から空気比を、あるいは、空気比から当量比を、容易に導くことができる。
【００１１】
なお、予混合ガスを形成する燃料は、単種の燃料の場合だけでなく、多種燃料の混合燃料の場合もある。
【００１２】
本発明は、単種あるいは多種混在燃料の予混合ガスについて、その燃料種名および混在割合が不明であっても、「当量比」を直接計測できる方法およびその計測装置を提供するものである。
【００１３】
ここで、本発明における、計測とは、予混合ガスをサンプリングし当量比を計測するものから、時間変化する予混合ガス場の三次元当量比分布に対する、0次元計測（点計測）から三次元計測まで、ならびにそれらの時間変化の計測までを示す。
【００１４】
ここで、予混合ガスの当量比あるいは燃料濃度の計測に関して、従来技術を記す。
【００１５】
特許文献１には、ガソリン/アルコール混合燃料にたいして、光の屈折率を利用してアルコール濃度を検出し、検出した濃度に基づいて、燃焼室内の平均当量比を制御することが記載されている。
【００１６】
しかし、特許文献１には、「混合燃料のアルコール濃度は燃料タンク３内に設けられたアルコール濃度センサ４によって検出される。アルコール濃度センサ４からのアルコール濃度信号Ｒ１がＥＣＵに取り込まれる。アルコール濃度センサ４は燃料の誘電率、もしくは光の屈折率からアルコール濃度を検出し、電圧値として出力するものである。」と記載され、光の屈折率から求めるアルコール濃度は、燃料タンク内の混合液体燃料中の濃度であり、本特許申請が扱う、「予混合ガスの当量比」とは全く異なる。
【００１７】
特許文献２には、請求項１に、「化石燃料とアルコール燃料の混合率を検出または推定する手段と、化石燃料の燃料性状を検出または推定する手段とを備えたことを特徴とするエンジンの制御装置。」とあり、少なくとも「両燃料の混合率を検出する手段」を必要とすることが記されており、本特許申請が主張する、「多種混在燃料による当量比」を直接的に求めるものではない。
【００１８】
燃料と空気の混合割合を表す「燃料濃度」の計測手法については、一般に、下記の方式が利用されている。
（１）燃焼を用いる「接触燃焼式」、
（２）加熱細線を用いる「熱伝導式」、
（３）燃料ガスによる赤外線の吸収を用いる「赤外線式」、
（４）光路長変化をとらえる「光干渉計式」。
【００１９】
この中で、当量比を直接与える方式は、（１）「接触燃焼式」のみであるが、サンプル予混合ガスの燃焼を伴うため、爆発の危険性が皆無ではなく、危険である。
【００２０】
また（１）「接触燃焼式」は、接触センサーを使用するため、多次元「当量比分布」計測には不向きである。
【００２１】
他の（２）〜（４）の方式は、燃料濃度を計測するもので、当量比を算出するためには、燃料の種類と、それぞれの濃度割合が既知である必要がある。
【００２２】
（３）および（４）は、光学計測であるので、単一の燃料場であれば多次元「濃度分布」計測は可能であるが、複数の燃料種が存在する流れ場での「濃度分布」の計測は、これまで困難であった。
【００２３】
以上の現状に鑑み、本研究では、燃焼にとって重要な「当量比」について注目し、「成分不明な複数種類の燃料が混在する予混合気の当量比」の計測手法を提案する。
【００２４】
さらに、この発明提案を、流れ場の密度分布を計測する「定量シュリーレン三次元CT計測法（非特許文献１に記載）」に適用し、当該予混合気が存在する流れ場の瞬間三次元当量比分布の計測を可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】特開２０１３−１９４６５８号公報
【特許文献２】特開２００９−１５０２３９号公報
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】Y. Ishino, N. Hayashi, I. F. Bt Abd Razak, T. Kato, Y. Kurimoto, Y. Saiki, 3D-CT (Computer Tomography) Measurement of an Instantaneous Density Distribution of Turbulent Flames with a Multi-Directional Quantitative Schlieren Camera (Reconstructions of High-Speed Premixed Burner Flames with Different Flow Velocities), Flow, Turbulence and Combustion 96 (2016) 819-835.
【発明の概要】
【００２７】
本発明は、単種あるいは多種混在燃料の予混合ガスについて、その燃料種名および混在割合が不明であっても、「当量比」を直接計測できる方法およびその計測装置を提供するものである。
【００２８】
ここで、本発明における、計測とは、予混合ガスをサンプリングし当量比を計測するものから、時間変化する予混合ガス場の三次元当量比分布に対する、0次元計測（点計測）から三次元計測まで、ならびにそれらの時間変化の計測までを示す。
【００２９】
本発明は、「水素、メタン、エタン以外の、すべての燃料の予混合ガスの当量比と、その予混合ガスの屈折率との間の関係が、共通の１本の直線方程式により、精度よく表される」という発見法則に基づいたものであり、この直線方程式により、単種あるいは多種混在燃料の予混合ガスについて、その燃料種名および混在割合が不明であっても、その予混合ガスの屈折率を計測することで、「当量比」を直接計測できるという原理に基づくものである。
【００３０】
本明細書において、空気とは、空気あるいは酸化剤のことを示す。
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明の課題は上記のような、単種あるいは多種混在燃料の予混合ガスについて、その燃料種名および混在割合が不明であっても、その予混合ガスの屈折率から直接、「当量比」を計測する燃料ガスの当量比計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
課題を解決するための手段として、以下の発明がある。
[１]単種燃料あるいは多種混在燃料の予混合ガスの屈折率を得る計測部と、屈折率から予混合ガスの当量比を算出する当量比の計算式を有する演算部と、からなる予混合ガスの当量比計測装置である。
[２]前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料の混在する予混合ガスであって、前記計算式は、式（１００）であることを特徴とする[１]に記載する当量比計測装置である。
y = 0.00003308x + 1.00027262314                      （１００）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
[３]前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種が予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１１０）であることを特徴とする[１]に記載の当量比計測装置である。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの平均値）x + 1.00027262314    （１１０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
[４]前記予混合ガスは、水素、メタン及びエタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種と混在割合が予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１２０）であることを特徴とする[１]に記載の当量比計測装置。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの、混在割合による荷重平均値）x
+ 1.00027262314                                          （１２０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
[５]前記予混合ガスから、水、水素、メタン、及び、エタンのうち１つ以上を除去する除去部を有することを特徴とする[１]から[４]のいずれか１つに記載の当量比計測装置である。
[６]前記予混合ガスの温度と、計算式の算出条件の温度とを合わせることを特徴とする[１]から[５]のいずれか１つに記載の当量比計測装置である。
[７]前記予混合ガスの圧力と、計算式の算出条件の圧力とを合わせることを特徴とする[１]から[６]のいずれか１つに記載の当量比計測装置である。
[８][１]から[７]のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比によりガス漏れを検知するガス漏れ警報器である。
[９][１]から[７]のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比により、吸入管あるいは筒内の予混合ガスの当量比を計測するエンジン用空燃比センシングシステムである。
[１０]１次元情報あるいは２次元情報を計測する光学的計測システムにおいて、第１実施形態から第４実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間あるいは時系列の当量比分布を計測することを特徴とする光学的計測システムである。
[１１]多方向定量シュリーレンカメラによる三次元シュリーレンＣＴ計測システムにおいて、第１実施形態から第４実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間の当量比を計測し、当量比の三次元分布の瞬間分布あるいは時系列分布を計測することを特徴とする三次元シュリーレンＣＴ計測システムである。
【発明の効果】
【００３３】
気相燃料の種類が不明、かつ、混在する場合であっても、当量比を計測できるガス検知器ならびに三次元当量比計測装置。
【００３４】
各種燃料と空気との予混合ガスの当量比と屈折率の関係。水素（未記入）、メタン、エタン以外の燃料（プロパン、DME、アルコール、ガソリン、その他）のデータが、ほぼ、燃料種によらず１本の直線で表現される。
【００３５】
本発明は、燃焼学的には、新たな発見である。
【００３６】
本発明は、この性質を利用し、前述の機器を発明したものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】各種燃料の予混合ガスにおける、当量比と屈折率の関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００３９】
（第１実施形態）
単種燃料あるいは多種混在燃料の予混合ガスの屈折率を得る計測部と、屈折率から予混合ガスの当量比を算出する当量比の計算式を有する演算部と、からなる予混合ガスの当量比計測装置。
【００４０】
各燃料ガスの予混合ガスにおける、ｘ：当量比（ｘ）と屈折率（ｙ）との直線式
・メタン（ＣＨ４）の場合は、式（１）となる。
y = 0.000012874799 x + 1.000272623140                               （１）
・エタン（Ｃ２Ｈ６）の場合は、式（２）となる。
y = 0.000021957602 x + 1.000272623140                               （２）
・プロパン（Ｃ３Ｈ８）の場合は、式（３）となる。
y = 0.000029158649 x + 1.000272623140                               （３）
・ブタン（Ｃ４Ｈ１０）の場合は、式（４）となる。
y = 0.000031570138 x + 1.000272623140                               （４）
・    （Ｃ５Ｈ１２）の場合は、式（５）となる。
y = 0.000032659362 x + 1.000272623140                               （５）
・    （Ｃ６Ｈ１４）の場合は、式（６）となる。
y = 0.000034242134 x + 1.000272623140                               （６）
・    （Ｃ７Ｈ１６）の場合は、式（７）となる。
y = 0.000035099804 x + 1.000272623140                               （７）
・    （Ｃ８Ｈ１８）の場合は、式（８）となる。
y = 0.000035661054 x + 1.000272623140                               （８）
・メチルアルコール（ＣＨ３ＯＨ）の場合は、式（９）となる。
y = 0.000029965092 x + 1.000272623140                               （９）
・エチルアルコール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）の場合は、式（１０）となる。
y = 0.000033801304 x + 1.000272623140                             （１０）
・ジメチルエーテル（ＤＭＥ：  Ｃ２Ｈ６Ｏ）の場合は、式（１１）となる。
y = 0.000035562127 x + 1.000272623140                             （１１）
式（１）から（１１）は、常温の場合の式であり、温度変化に応じて、各値を算出できる。
【００４１】
（第２実施形態）
前記予混合ガスは、水素、メタン、エタンを除く多種燃料の混在する予混合ガスであって、前記計算式は、式（１００）であることを特徴とする請求項１（実施形態１）に記載する当量比計測装置。
y = 0.00003308x + 1.00027262314                      （１００）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
式（１００）の傾きは、多種燃料の直線式の傾きの平均値、あるいは、多種燃料の直線式の傾きの最小値から最小値までの間の値とする。
式（１００）は、常温及び常圧の場合の式であり、温度及び圧力の変化に応じて、各値を算出できる。
【００４２】
（第３実施形態）
前記予混合ガスは、水素、メタン、エタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種がわかっているか予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１１０）であることを特徴とする請求項１（実施形態１）に記載する当量比計測装置。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの平均値）x + 1.00027262314    （１１０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
式（１１０）の傾きは、当該多種燃料の直線式の傾きの平均値、あるいは、当該多種燃料の直線式の傾きの最小値から最小値までの間の値とする。
式（１１０）は、常温及び常圧の場合の式であり、温度及び圧力の変化に応じて、各値を算出できる。
【００４３】
（第４実施形態）
前記予混合ガスは、水素、メタン、エタンを除く多種燃料のうち、混在する燃料種と混在割合が予測できる予混合ガスであって、前記計算式は、式（１２０）であることを特徴とする請求項１（実施形態１）に記載する当量比計測装置。
y = （混在する燃料種の直線式の傾きの、混在割合による荷重平均値）x
+ 1.00027262314                                          （１２０）
ｘ：当量比、ｙ：屈折率
式（１２０）の傾きは、「当該多種燃料の直線式の傾きの、混在割合による荷重平均値」、あるいは、「当該多種燃料の直線式の傾きの、最小値から最小値までの間の値」とする。
式（１２０）は、常温及び常圧の場合の式であり、温度及び圧力の変化に応じて、各値を算出できる。
【００４４】
（第５実施形態）
前記予混合ガスから水、水素、メタン、またはエタンの除去部を有することを特徴とする請求項１から４（第１実施形態から第４実施形態）のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【００４５】
（第６実施形態）
前記予混合ガスの温度と、計算式の算出条件の温度とを合わせることを特徴とする請求項１から５（第１実施形態から第５実施形態）のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【００４６】
（第７実施形態）
前記予混合ガスの圧力と、計算式の算出条件の圧力とを合わせることを特徴とする請求項１から６（第１実施形態から第６実施形態）のいずれか１つに記載の当量比計測装置。
【００４７】
（第８実施形態）
第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比によりガス漏れを検知するガス漏れ警報器。
【００４８】
（第９実施形態）
第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により計測された当量比により、吸入管あるいは筒内の予混合ガスの当量比を計測するエンジン用空燃比センシングシステム。
【００４９】
（第１０実施形態）
光干渉光学計測法、光路偏向角度計測法、定量シュリーレン撮像法などにより、１次元情報あるいは２次元情報を計測する光学的計測システムにおいて、第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間あるいは時系列の当量比分布を計測することを特徴とする光学的計測システム。
【００５０】
（第１１実施形態）
多方向定量シュリーレンカメラによる三次元シュリーレンCT計測システム（
【非特許文献１】）において、第１実施形態から第７実施形態のいずれか１つに記載の当量比計測装置により、瞬間の当量比を計測し、当量比の三次元分布の瞬間分布あるいは時系列分布を計測することを特徴とする三次元シュリーレンＣＴ計測システム。非特許文献１に記載のシステムは、流れ場の密度分布の計測を目的とするが、文献に明記されてはいないが、演算途中で屈折率の三次元分布を算出できるシステムである。
【図１】
2020003261.tif 000003