(57)【要約】【課題】エンジンの製造工程において、複雑な形状をした燃焼室の容積を、乾燥状態のままで、精度良く迅速に測定する。【解決手段】基準容器を転置されたエンジンヘッドブロックの燃焼室の上に載せ、基準容器と燃焼室の内部の空間にスピーカによって交番的体積変化を差動的に与え、基準容器内部の音圧を検出する第１マイクロホンの出力で、基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間を連通する連通管内部の音圧がほぼ０となる場所の音圧を検出する第２マイクロホンの出力を同期整流し、基準容器を標準容器に載せたときの同期整流された信号と、基準容器を燃焼室に載せたときの同期整流された信号とから、燃焼室と標準容器との容積差を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準容器と、基準容器を転置したエンジンヘッドブロックの燃焼室に載せたときに基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間に交番的体積変化を差動的に与える手段と、基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間とを連通する連通管と、連通管内部の音圧がほぼ０となる場所に設けた検出函と、基準容器内部の空間または燃焼室内部の空間の音圧を検出する第１圧力検出器と、検出函内部の音圧を検出する第２圧力検出器と、第１圧力検出器の出力信号で第２圧力検出器の出力信号を同期整流する手段と、燃焼室とほぼ同容積の標準容器に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさと燃焼室に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさとにより燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段とからなる音響装置。
【請求項２】
基準容器と、基準容器を転置したエンジンヘッドブロックの燃焼室に載せたときに基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間に交番的体積変化を差動的に与える手段と、基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間とを連通する連通管と、連通管内部の音圧がほぼ０となる場所に設けた検出函と、基準容器内部の空間または燃焼室内部の空間の音圧を検出する第１圧力検出器と、検出函内部の音圧を検出する第２圧力検出器と、第１圧力検出器の出力信号で第２圧力検出器の出力信号を同期整流する手段と、燃焼室とほぼ同容積の標準容器に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさと燃焼室に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさとにより燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段と、この求められた容積の差に標準容器の容積を加えて燃焼室の容積を求める手段とからなる音響装置。
【請求項３】
上記第１圧力検出器の出力信号で第２圧力検出器の出力信号を同期整流する手段としてディジタル計算機を用いた請求項１または請求項２の装置。
【請求項４】
上記燃焼室とほぼ同容積の標準容器に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさと燃焼室に基準容器を載せたときの同期整流によって得られた信号の大きさとにより燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段としてディジタル計算機を用いた請求項１または請求項２の装置。
【請求項５】
上記求められた容積の差に標準容器の容積を加えて燃焼室の容積を求める手段としてディジタル計算機を用いた請求項２の装置。
【請求項６】
上記同期整流によって得られた信号に代えて、上記同期整流によって得られた信号を上記第１圧力変換器の出力の大きさで除した信号を用いる請求項４の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、エンジン製造工程において、複雑な形状をした燃焼室の容積と標準容器の容積との差を、音を利用して乾燥状態のままで精度よく測定する測定装置にかかわる。
【背景技術】
【０００２】自動車等のエンジンの燃焼室容積は、エンジンの性能やノッキングの特性に影響するので、その製造工程においては燃焼室容積を管理する必要がある。しかし燃焼室は吸排気弁や点火栓等が突出していて複雑な形状をしているので、寸法を計測してその容積を算出することは非常に難しい。【０００３】エンジンの製造工程では、燃焼室が組み込まれたエンジンヘッドブロックが燃焼室が上向きになるように転置されてベルトコンベアによって送られてくるが、この状態において燃焼室容積を測定するのに、従来は透明なアクリル板などを燃焼室の上に置き、その中央に穿たれた小孔にビュレットから液体を滴下し、燃焼室がいっぱいになるまでに滴下した液体の容積から燃焼室容積を求めるという方法が採られている。しかしながら、この方法は測定に長時間を要するだけでなく、測定後に使用した液体を除去しなければならないなど、問題点が多々ある。【０００４】一方、複雑な形状の物体の体積を乾燥状態のままで測定する一つの方法として、スピーカなどの音源によって物体を入れた測定容器内部の空間に交番的な体積変化を与えて内部の気体を断熱的に圧縮膨張せしめ、そのときの交番的圧力変化をマイクロホン等で検出して物体の体積をその形状にかかわりなく求めるという方法がある。
【特許文献１】特開平１０−３８６５８号公報
【特許文献２】特開２０００−１７１２８２号公報
【０００５】この種の測定方法として、出願人は特許文献１において、基準容器と測定容器の双方にスピーカによって交番的体積変化を差動的に与え、そのときに生ずるこれらの容器内の気体の交番的圧力変化の大きさの比、すなわち音圧の大きさの比から、交番的体積変化の大きさには無関係に、かつ、容器内の気体の静圧力にも影響されないで、測定容器の中に入れた物体の体積とそれと比較される標準物体の体積との差を測定する音響式体積計を示した。出願人はまた、特許文献２において、上記の基準容器と測定容器を連通する連通管の内部の音圧を検出することにより、比較的精度の低いマイクロホンを用いて同様に体積差を測定できる音響式体積計を示した。以下、これら二つの体積計を前願発明と称する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】前願発明において、比較される標準物体の体積が既知であれば、これに測定された体積差を加えて被測定物体の体積を求めることができるが、燃焼室の場合には、求められるものは、前願発明におけるような測定容器の中に入れた物体の体積ではなく、燃焼室という容器の容積である。したがって、気体の音圧を利用するにしても、前願発明をそのまま適用することはできず、それとは異なった構造と測定方式を持つ新しい装置を創出する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】上記のような課題を解決するための本発明装置の一形態は、一つの基準容器と、この基準容器を転置したエンジンヘッドブロックの燃焼室の上に載せたときに基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間に交番的体積変化を差動的に与えるように設置されたスピーカなどの音源と、基準容器内部と燃焼室内部の空間を連通する連通管と、上記体積変化が与えられたことによって生ずる基準容器内部の交番的圧力変化、すなわち音圧、を検出する第１圧力検出器のマイクロホンと、上記連通管内部の音圧がほぼ０となる位置に設けられた検出函の音圧を検出する第２圧力検出器のマイクロホンと、第１圧力検出器の出力で第２圧力検出器の出力を同期整流する手段と、基準容器を燃焼室に載せたときの同期整流された信号の大きさと基準容器を既知の容積を有する標準容器に載せたときの同期整流された信号の大きさとから燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段とからなる。【０００８】このように、連通管を使用するという本発明の方式によれば、比較的精度の低い安価なマイクロホンを用いて容積差を測定することができる。また、気体の断熱的な圧縮膨張を利用する原理からして、本発明においては容器の形状は測定に影響しないから、上記の比較される標準容器は燃焼室と同じ形状である必要はない。たとえば金属ブロックの上面を平面に加工し、この面に円柱状の窪みを穿ったものを標準容器として使用すれば、その容積は寸法測定により容易に求められる。したがって本発明装置により燃焼室の容積と上記の標準容器の容積との差が測定されたならば、この容積差に寸法から求められた標準容器の容積を加えることにより燃焼室容積が求められる。ただ、実際のエンジン製造工程では、燃焼室容積の絶対値は必ずしも必要ではなく、燃焼室容積の標準値からの容積差だけが知れればそれで十分という場合も多い。
【発明の効果】
【０００９】本発明装置を使用すれば、エンジン燃焼室の容積を、液体を使うことなく乾燥状態のままで検査することができる。所要時間は燃焼室一つ当たり数秒以下で済むのでエンジンの生産効率は大いに向上する。以下、実施例により本発明の動作原理などを詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】図１において、１は内部空間の容積がＶ１の基準容器、２は上下が転置されたエンジンヘッドブロックで３は容積Ｖの燃焼室である。基準容器１はその下部にアダプタ８が付けられており、この状態で基準容器１を燃焼室３の上に載せるが、このときアダプタ８の下面とエンジンヘッドブロック２の上面が密着して燃焼室３内部の空間が音響的にシールされる。しかし、アダプタを付けずに基準容器１をそのまま燃焼室の上に載せても測定に必要な音響的シールが得られる場合もあるので、アダプタ８は必須のものではない。【００１１】基準容器１の隔板４にはスピーカ６が付けられており、端子１３を通して交番的な駆動電気信号ｓがスピーカ６に供給されるとスピーカのコーン状の振動板７が振動し、その表裏によって、基準容器１と燃焼室３の内部空間に微小な交番的体積変化が差動的に与えられる。その結果生じた基準容器１内部の音圧はマイクロホン１１によって検出され、その出力信号ｅ１は信号処理装置１５にとりこまれる。隔板４にはまた、基準容器１と燃焼室３の内部空間を連通する連通管５と５’があり、その間に設けられた検出函９内部の音圧は可撓性チューブ１４によってマイクロホン１２に導かれて検出され、その出力信号ｅ２も信号処理装置１５にとりこまれる。なおＶ２は隔板４の下の空間とこれに通ずる容積Ｖの燃焼室３の空間の全部の容積を表わす。【００１２】いま、スピーカ駆動信号ｓによってスピーカ６が駆動され、振動板７が押し出されて隔板４より下の全空間の容積Ｖ２がΔＶＶなる微小体積だけ圧縮されるものとすると、基準容器１の内部容積Ｖ１はΔＶＶだけ膨張する。また連通管５、５’を通して隔板４より下の空間にΔＶＰなる微小体積の気体が流入するものとすると、基準容器１からはΔＶＰの体積の気体が連通管５、５’を通して流出する。このとき基準容器１の内部空問および隔板４より下の空間に生ずる微小圧力変化をそれぞれ−ΔＰ１、ΔＰ２とし、また
【数１】
ΔＶ＝ΔＶＶ＋ΔＶＰ
【００１３】とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。
【数２】
ΔＰ１／Ｐ０＝γΔＶ／Ｖ１
【数３】
ΔＰ２／Ｐ０＝γΔＶ／Ｖ２
【００１４】ここでＰ０は基準容器１および隔板４より下の空間の内部の気体、通常は空気、の平均的な静圧であり、γ（ガンマ）はその気体の比熱比で、空気では約１．４である。上記二つの式より
【数４】
ΔＰ１／ΔＰ２＝Ｖ２／Ｖ１
【００１５】なる関係式がえられる。すなわち圧力変化の大きさの比は体積変化ΔＶ、静圧力Ｐ０、比熱比γにはよらず、容積比Ｖ２／Ｖ１によって定まる。
【００１６】スピーカ６を駆動する交番的信号ｓが周波数ｆの正弦波の場合には、時間をｔで表わすと、−ΔＰ１とΔＰ２はそれぞれ次式で示すような、互いに１８０度位相の異なる周波数ｆの正弦波音圧となる。
【数５】
−ΔＰ１＝−Ｐ１ｓｉｎ２πｆｔ
【数６】
ΔＰ２＝Ｐ２ｓｉｎ２πｆｔ
【００１７】ここでＰ１、Ｐ２は音圧振幅で、それらの比は
【数７】
Ｐ１／Ｐ２＝Ｖ２／Ｖ１
【００１８】である。
【００１９】図２は連通管５、５’および検出函９の内部構造を示す。長さＬ２の連通管５’の下端は隔板４より下の容積Ｖ２の空間に開口していて、そこでの音圧はΔＰ２であり、長さＬ１の連通管５の上端は容積Ｖ１の基準容器１の内部空間に開口していて、そこでの音圧は−ΔＰ１である。したがって検出函９内部の音圧は、上記二つの音圧を連通管５’の音響インピーダンスＺ２と連通管５の音響インピーダンスＺ１とで比例按分したものになり、この音圧が可撓性チューブ１４を通ってマイクロホン１２によって検出される。そして
【数８】
Ｚ１／Ｚ２＝Ｐ１／Ｐ２
【００２０】の場合には、検出函９内部の音圧の大きさはほとんど０になる。
【００２１】ここで検出函９の作用と効果を説明する。本発明装置では、連通管５、５’の長さＬ１、Ｌ２を変えて上記の音響インピーダンスＺ１、Ｚ２を調整するなどの方法によって検出函９内部の音圧がほぼ０となるようにして、その状態において容積差の測定を行なう。したがってマイクロホン１２によって検出される音圧を小さい。一方、スピーカ６が周波数ｆの信号で駆動されると、連通管５、５’の内部に同じ周波数の振動流が生ずるが、その流速をｖとしその気体の密度をρとすると、ρｖ２／２なる大きさの動圧が５、５’内部に発生する。この動圧の大きさは検出すべき音圧より大きくなる場合もあるが、連通管５、５’の内部断面積に比べて大きな内部断面積を有する検出函９を設けてそこにおける流速を小さくすることにより、上記の動圧を小さくすることができる。上記の動圧は流速ｖの２乗に比例するから、検出函９を設けることは信号対雑音比を良くするためにきわめて効果的である。
【００２２】図３は信号処理装置１５の内部構造の一例である。信号発生器２０は交番的なスピーカ駆動信号ｓを発生し、その信号はスピーカ６に供給される。マイクロホン１２の信号ｅ２は増幅器２２で増幅され同期整流器１６の入力となる。一方マイクロホン１１の信号ｅ１は増幅器２１で増幅され、位相基準の信号として同期整流器１６のもう一つの入力となる。信号ｅ１は基準容器１内部の音圧−ΔＰ１を表わすが、同期整流器１６ではマイクロホン１２の信号ｅ２の波形の内で信号ｅ１と同相の成分が検出され、その同相成分の大きさを表わす出力信号Ｑは指示計器１８によって表示される。１７は加算器で、同期整流器の出力Ｑに−ＱＳなるバイアスを与えるものであるが、その作用については後述する。なお、隔板４の下の空間の音圧ΔＰ２を可撓性チューブによってマイクロホン１１に導入して検出し、その出力信号を位相基準の信号として同期整流器１６に与えて、これと同相の成分を信号ｅ２の中から抽出するようにしてもよい。この場合は基準となる信号の位相が１８０°変わるわけであるから、同期整流器１６の出力Ｑの極性は反転する。
【００２３】本発明装置はマイクロホン１２によって検出される検出函９の音圧がほぼ０となるような状態で作動するが、そのために、数８の関係式がほぼ満たされるように連通管５、５’の音響インピーダンスＺ１、Ｚ２を調整する。前述したように連通管５、５’の長さＬ１、Ｌ２を変えることもその調整方法の一つであるが、連通管５、５’の内径を変えるという方法もある。また、基準容器１の容積Ｖ１を変えると、数７の関係によってＰ１／Ｐ２が変わるから、この比がＺ１／Ｚ２にほぼ等しくなるように基準容器１の容積Ｖ１を定めるというのも一つの方法である。
【００２４】図４のグラフは、同期整流器１６の出力信号Ｑと、エンジン燃焼室の容積Ｖと標準容器の容積ＶＳとの容積差ＶＤ
【数９】
ＶＤ＝Ｖ−ＶＳ
【００２５】の関係を表わす。このＶＤが小さくなるように、標準容器は、その容積ＶＳが測定されるエンジン燃焼室容積Ｖに近いものを使用する。本発明装置のキャリブレーションの手続きは、まず基準容器１を標準容器の上に載せて、そのときのＱの値としてＱＳを得る。これはグラフのＱＳ点に対応する。つぎに容積ＶＴを有する第２の標準容器の上に基準容器を載せて、そのときのＱの値としてＱＴを得る。これはグラフのＴ点に対応する。ＱＳ点とＴ点を結んだ直線が、基準容器を測定される燃焼室の上に載せたときのＱの値と、燃焼室容積Ｖと標準容積ＶＳとの容積差ＶＤの関係を表わす。すなわち
【数１０】
Ｋ＝（ＶＴ−ＶＳ）／（ＱＴ−ＱＳ）
【００２６】とすると
【数１１】
ＶＤ＝Ｋ（Ｑ−ＱＳ）
【００２７】が測定式である。さらに図３に示したように、加算器１７において−ＱＳなるバイアスをＱに加えて（Ｑ−ＱＳ）の信号を作りこれを指示計器１８の入力にすると、容積差ＶＤの値を、その正負の符号も含めて、指示計器１８で直読することができる。容積差ＶＤの値が測定されれば、これに標準容器の容積ＶＳを加えて
【数１２】
Ｖ＝ＶＤ＋ＶＳ
【００２８】として燃焼室容積Ｖの値を知ることができる。
【００２９】容積差ＶＤと同期整流された信号Ｑの関係は一般には非線形であり、数１１に示した線形の測定式は容積差ＶＤの絶対値が小さいときに近似的に成り立つものである。工場の製造ラインでは同一種の多数のエンジンが製造され、それらの燃焼室容積の分布の範囲は１％程度である。したがって、それらの燃焼室容積に近い容積の標準容器を使用すれば、容積差ＶＤの絶対値は数１１の測定式が十分に成り立つような小さな値になる。そして測定された小さな値の容積差ＶＤに標準容器の容積ＶＳを加えたものが燃焼室容積Ｖであるから、マイクロホン１２の感度変化により、仮に容積差ＶＤの測定値に１０％の誤差を生じても、最終的にえられる燃焼室容積Ｖの値に対してはたかだか０．１％の誤差を生ずるに過ぎない。温度変化などにより測定装置内部の気体の密度や粘度が変化すると連通管の音響インピーダンスＺ１、Ｚ２が変化し、その結果、検出函９内部の音圧が変化して容積差ＶＤの測定値に誤差を生ずる。しかしこの変化は時間的に緩やかで、数十分に１回程度キャリブレーションを行なうことによりその影響を回避できる。
【実施例２】
【００３０】図５はディジタル計算機を使用した信号処理装置１５の構成の一例である。マイクロホン１１、１２の出力信号ｅ１およびｅ２は増幅器２１および２２によって増幅されたのち、それぞれアナログディジタル変換器２３および２４によってディジタル量に変換されディジタル計算機２５にとり込まれる。２６は信号発生器で、交番的なスピーカ駆動信号ｓを発生してスピーカ６に供給するとともに、同期パルスを発生し、導線２７を通してアナログディジタル変換器２３、２４とディジタル計算機２５に供給する。上記のアナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みはこの同期パルスに同期して行なわれる。上記の同期パルスをディジタル計算機２５で発生して２３と２４に供給し、アナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みを計算機自身で制御するようにしてもよい。【００３１】計算機２５の内部では、上記のとりこまれたｅ１およびｅ２の信号波形についてフーリエ変換を行ない、ｅ１の振幅Ｅ１と位相θ１およびｅ２の振幅Ｅ２と位相θ２を算出する。そして
【数１３】
Ｑ＝Ｅ２ｃｏｓ（θ２−θ１）
【００３２】を算出するが、このＱは信号ｅ２の中の信号ｅ１と同相の成分の振幅であり、図３の同期整流器１６の出力Ｑと同等である。数１３のＱを用い、実施例１の場合と同様にキャリブレーションを行なって数１１の測定式を作成して計算機の中に記憶し、その測定式を使って容積差ＶＤ求める。また、標準容器の容積ＶＳの値を計算機に記憶しておけば、測定されたＶＤの値から数１２によって燃焼室容積Ｖを求めることができる。
【００３３】計算機を使用する場合には、信号Ｑを信号ｅ１の振幅Ｅ１で除した量
【数１４】
Ｒ＝Ｑ／Ｅ１
【００３４】を算出して、このＲをＱの代わりに用いた測定式
【数１５】
ＶＤ＝Ｋ’（Ｒ−ＲＳ）
【００３５】をキャリブレーションを行なって作成することができる。ここで
【数１６】
Ｋ’＝（ＶＴ−Ｖｓ）／（ＲＴ−ＲＳ）
【００３６】であり、ＲＴ、ＲＳはそれぞれＱＴ、ＱＳに対応するＲの値である。数１５の式を使って容積差ＶＤを測定すると、これは基準容器１の中の音圧の大きさが一定となるようにスピーカ駆動信号ｓの振幅を制御しつつ信号Ｑを使って容積差を測定することに等価であり、容積差の測定精度の向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例の装置である。
【図２】検出函の構造の一例である。
【図３】本発明で使用される信号処理装置の一例である。
【図４】本発明の測定式のグラフである。
【図５】ディジタル計算機を用いた信号処理装置の一例である。
【符号の説明】
【００３８】１  内部容積Ｖ１の基準容器
２  エンジンヘッドブロック
３  容積Ｖの燃焼室
４  隔板
７  スピーカのコーン状の振動板
１１、１２  マイクロホン
１３  端子
１４  可撓性チューブ
１７  加算器
１８  指示計器
２１、２２  増幅器
２７  導線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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