(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボア、シリンダヘッド、および、ピストンで囲繞された燃焼室のうち、タンブル流の流れ方向に対して垂直な仮想面において、該タンブル流の中央を含む所定範囲に設定された第１測定位置のガス流速を測定する第１プローブと、
前記燃焼室のうち、前記第１測定位置に対して、前記仮想面における前記タンブル流の長手方向に位置する第２測定位置のガス流速を測定する第２プローブと、
前記燃焼室のうち、前記長手方向に、前記第１測定位置を挟んで前記第２測定位置と反対側に位置する第３測定位置のガス流速を測定する第３プローブと、
前記第１プローブ、前記第２プローブ、および、前記第３プローブの測定結果に基づいて、前記タンブル流の評価指標となる値を算出する評価指標算出部と、
を備え、
前記評価指標算出部は、前記第１測定位置を基準とする前記第２測定位置および前記第３測定位置の流速差分比率を算出することを特徴とするタンブル流測定装置。
【請求項２】
前記第１測定位置、前記第２測定位置、および、前記第３測定位置は、燃料点火タイミングにおける前記ピストンの位置よりも、前記シリンダヘッド側であることを特徴とする請求項１に記載のタンブル流測定装置。
【請求項３】
前記第１測定位置、前記第２測定位置、および、前記第３測定位置は、前記ピストンの上死点よりも、前記シリンダヘッド側であることを特徴とする請求項１または２に記載のタンブル流測定装置。
【請求項４】
前記第１プローブ、前記第２プローブ、および、前記第３プローブは、前記シリンダヘッドに設けられた収容孔に収容されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のタンブル流測定装置。
【請求項５】
シリンダボア、シリンダヘッド、および、ピストンで囲繞された燃焼室のうち、タンブル流の流れ方向に対して垂直な仮想面において、該タンブル流の中央を含む所定範囲に設定された第１測定位置、該燃焼室のうち、該第１測定位置に対して、該仮想面における該タンブル流の長手方向に位置する第２測定位置、および、該燃焼室のうち、該長手方向に、該第１測定位置を挟んで該第２測定位置と反対側に位置する第３測定位置のガス流速を測定し、前記第１測定位置を基準とする前記第２測定位置および前記第３測定位置の流速差分比率を算出することを特徴とするタンブル流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのタンブル流の流速分布を測定するタンブル流測定装置およびタンブル流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンでは、シリンダヘッドに設けられた吸気ポートから燃焼室内に流入した吸気がタンブル流（縦渦流）を形成し、タンブル流を阻害しないように燃料を噴射するものが普及している。このタンブル流が圧縮行程の点火の直前に崩壊し乱れに変換されることで、乱流となって燃焼速度が速くなり、燃料の希薄・希釈限界が向上する。
【０００３】
このようなタンブル流はその旋回軸の性質によって乱れの生成量や、点火時のアークへの影響が異なる。そこで、タンブル流の質を向上するため、吸気ポートの並び方向の中心側を両端側よりも低流速とすることで、吸気ポートの並び方向において、燃焼室内に流入した吸気の流速分布の均一化を図る技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０６１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のタンブル流の質を向上することは、燃費改善に寄与することから、タンブル流の流速分布を適切に測定する技術の開発が希求されている。
【０００６】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、タンブル流の流速分布を適切に測定することが可能なタンブル流測定装置およびタンブル流測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のタンブル流測定装置は、シリンダボア、シリンダヘッド、および、ピストンで囲繞された燃焼室のうち、タンブル流の流れ方向に対して垂直な仮想面において、タンブル流の中央を含む所定範囲に設定された第１測定位置のガス流速を測定する第１プローブと、燃焼室のうち、第１測定位置に対して、仮想面におけるタンブル流の長手方向に位置する第２測定位置のガス流速を測定する第２プローブと、燃焼室のうち、長手方向に、第１測定位置を挟んで第２測定位置と反対側に位置する第３測定位置のガス流速を測定する第３プローブと、第１プローブ、第２プローブ、および、第３プローブの測定結果に基づいて、タンブル流の評価指標となる値を算出する評価指標算出部と、を備え、評価指標算出部は、第１測定位置を基準とする第２測定位置および第３測定位置の流速差分比率を算出することを特徴とする。
【０００８】
第１測定位置、第２測定位置、および、第３測定位置は、燃料点火タイミングにおけるピストンの位置よりも、シリンダヘッド側であってもよい。
【０００９】
第１測定位置、第２測定位置、および、第３測定位置は、ピストンの上死点よりも、シリンダヘッド側であってもよい。
【００１０】
第１プローブ、第２プローブ、および、第３プローブは、シリンダヘッドに設けられた収容孔に収容されてもよい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のタンブル流測定方法は、シリンダボア、シリンダヘッド、および、ピストンで囲繞された燃焼室のうち、タンブル流の流れ方向に対して垂直な仮想面において、タンブル流の中央を含む所定範囲に設定された第１測定位置、燃焼室のうち、第１測定位置に対して、仮想面におけるタンブル流の長手方向に位置する第２測定位置、および、燃焼室のうち、長手方向に、第１測定位置を挟んで第２測定位置と反対側に位置する第３測定位置のガス流速を測定し、第１測定位置を基準とする第２測定位置および第３測定位置の流速差分比率を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、タンブル流の流速分布を適切に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】エンジンの構成を説明する図である。
【図２】タンブル流を説明するための説明図である。
【図３】タンブル流測定装置を説明するための第１の図である。
【図４】タンブル流測定装置を説明するための第２の図である。
【図５】タンブル流の評価の一例を示す図である。
【図６】変形例のタンブル流測定装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
図１は、エンジンの構成を説明する図である。図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２と一体形成されたクランクケース３と、シリンダブロック２の上部に固定されたシリンダヘッド４とが設けられている。
【００１７】
シリンダブロック２には、シリンダボア５が形成されており、シリンダボア５には、ピストン６が摺動自在にコンロッド１０に支持されている。そして、エンジン１では、シリンダヘッド４と、シリンダボア５と、ピストン６の上面とによって囲繞された空間が燃焼室７として形成されている。
【００１８】
また、エンジン１では、クランクケース３内に形成されたクランク室８内に、クランクシャフト９が回転自在に支持されている。コンロッド１０はクランクシャフト９に回転自在に支持されており、ピストン６がコンロッド１０を介してクランクシャフト９に連結されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート１１および排気ポート１２が燃焼室７に連通するように設けられている。
【００１９】
また、吸気ポート１１と燃焼室７との間には、吸気バルブ１３の先端が位置し、排気ポート１２と燃焼室７との間には、排気バルブ１４の先端が位置している。そして、シリンダヘッド４およびヘッドカバー（不図示）に囲まれたカム室内に、カム１５ａを有する吸気カムシャフト１５、および、カム１６ａを有する排気カムシャフト１６が設けられている。
【００２０】
吸気カムシャフト１５は、カム１５ａが吸気バルブ１３の他端に当接されており、回転することで吸気バルブ１３を上下方向に移動させる。これにより、吸気バルブ１３は、吸気ポート１１と燃焼室７との間を開閉する。排気カムシャフト１６は、カム１６ａが排気バルブ１４の他端に当接されており、回転することで排気バルブ１４を上下方向に移動させる。これにより、排気バルブ１４は、排気ポート１２と燃焼室７との間を開閉する。
【００２１】
シリンダヘッド４には、先端が燃焼室７内に位置するように点火プラグ１７が設けられている。そして、吸気ポート１１を介して燃焼室７に流入した空気と燃料との混合気が、所定のタイミングで点火プラグ１７に点火されて燃焼される。かかる燃焼により、ピストン６が往復運動を行い、その往復運動が、コンロッド１０を通じてクランクシャフト９の回転運動に変換される。
【００２２】
また、シリンダヘッド４の外壁面のうち、吸気ポート１１の開口部分には、吸気配管１８が取り付けられている。吸気配管１８の内部には、吸気が導かれる吸気流路１９が形成されており、吸気流路１９と吸気ポート１１が連通している。
【００２３】
吸気ポート１１の内部には、隔壁２０が配設されている。隔壁２０は、板状の本体部２０ａを有しており、本体部２０ａが、吸気ポート１１の内部から吸気流路１９の内部まで延在している。本体部２０ａは、吸気流路１９の下流側および吸気ポート１１の上流側を、吸気の流れ方向に沿って、図１における上下方向に区分けして、第１流路２１と第２流路２２を形成する。すなわち、吸気流路１９および吸気ポート１１のそれぞれ一部が、隔壁２０によって第１流路２１と第２流路２２とに仕切られる。
【００２４】
また、隔壁２０は、吸気流路１９や吸気ポート１１の中心よりも、図１中、下側に偏って配されており、隔壁２０によって仕切られた上側の第１流路２１は、下側の第２流路２２よりも流路が広くなっている。ＴＧＶ（Tumble Generation Valve）２３は、吸気流路１９のうち、隔壁２０より上流側に配設され、この第１流路２１を開閉する。
【００２５】
図２は、タンブル流を説明するための説明図である。図２中、一点鎖線の矢印は吸気の流れを示す。図２に示すように、ＴＧＶ２３の開度が最小となり、ＴＧＶ２３の弁体２３ａによって第１流路２１が閉じられると、吸気流路１９に導かれた吸気は、第２流路２２を通過して燃焼室７に向かう。
【００２６】
燃焼室７に流入した吸気は、シリンダボア５に沿ってピストン６の上面に向かった後、ピストン６上面に沿って図２中、左側（吸気ポート１１側）に回り込む。そして、シリンダボア５に沿ってシリンダヘッド４側に流れる。このように、エンジン１では、吸気が燃焼室７内で縦渦流（タンブル流）を形成する。
【００２７】
例えば、エンジン１の負荷が小さく吸気流量が少量のとき、第１流路２１の開度を絞り、吸気のほとんどを第２流路２２側に通過させる。そして、流速を高めた吸気を燃焼室７に流入させることでタンブル流が強められ、ピストン６による燃焼室７内の圧縮に伴ってタンブル崩壊が生じたとき、燃焼室７内のガス流の乱れが大きくなる。このとき、点火プラグ１７によって燃料混合気に点火が為されることで燃料の急速燃焼を実現し、燃費改善や燃焼安定性の向上を可能とする。
【００２８】
図３は、タンブル流測定装置１００を説明するための第１の図であり、図３（ａ）には、シリンダヘッド４のうち、燃焼室７の内壁となる部位をピストン６側から見た図を示し、図３（ｂ）には、燃焼室７のうち、タンブル流の流れ方向に対して垂直な仮想面Ａを示す。仮想面Ａは、燃焼室７のうち、例えば、図２中、破線で示すように、点火プラグ１７近傍の位置とする。図３（ｂ）中、上下方向（矢印Ｂで示す方向）は、図３（ａ）における上下方向、すなわち、吸気ポート１１の２つの開口の配設方向に平行である。
【００２９】
吸気ポート１１と排気ポート１２は、シリンダヘッド４の内部で分岐しており、燃焼室７に臨む開口が、図３（ａ）中、上下方向に２つずつ並設されている。吸気ポート１１の燃焼室７側の開口が２つ並設されていることから、吸気ポート１１の２つの開口から燃焼室７に流入して形成されるタンブル流（図３（ｂ）中、タンブル流の主たる通過範囲を一点鎖線で示す）は、図３（ｂ）に示すように、仮想面Ａにおいて吸気ポート１１の２つの開口の配設方向（並設方向）に広がったタンブル流が形成される。
【００３０】
このタンブル流の流速分布の測定を行うため、タンブル流測定装置１００が用いられる。タンブル流測定装置１００は、第１プローブ１１０と、第２プローブ１１２と、第３プローブ１１４と、制御部１１６と、評価部１１８とを含んで構成される。
【００３１】
第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４、および、制御部１１６は、レーザドップラ流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimeter）を構成しており、燃焼室７内のガス流速を測定する。第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４は、それぞれ、シリンダヘッド４に設けられた収容孔４ａ、４ｂ、４ｃに収容されている。
【００３２】
図４は、タンブル流測定装置１００を説明するための第２の図であり、タンブル流測定装置１００と、シリンダブロック２およびシリンダヘッド４の図３（ａ）におけるＩＶ−ＩＶ線断面（ピストンピン６ａの軸心に平行な断面）を示す。図４では、ピストン６が上死点に位置している。
【００３３】
図４に示すように、収容孔４ａ、４ｂ、４ｃは、シリンダヘッド４の上面４ｄから燃焼室７まで貫通している。収容孔４ａには、第１プローブ１１０とともに点火プラグ１７が配設されている。第１プローブ１１０は、点火プラグ１７に隣接して配置される。また、収容孔４ｂには第２プローブ１１２が配設され、収容孔４ｃには第３プローブ１１４が配設される。
【００３４】
第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４は、それぞれ、先端が燃焼室７に対向している。そして、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４は、先端からコヒーレンスが高い一対のレーザ光を燃焼室７内に射光し、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃで生じる干渉縞を通過する吸気に含まれるトレーサ粒子からの散乱光を受光する。ここで、トレーサ粒子は、測定のため吸気に混入してもよいし、吸気に噴射された燃料をトレーサ粒子として用いてもよい。
【００３５】
制御部１１６は、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４から燃焼室７へのレーザ光の射光を制御するとともに、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、第３プローブ１１４が受光した散乱光から、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃのガス流速を算出する。
【００３６】
ここで、第１測定位置ａは、点火プラグ１７の先端近傍であって、図３（ｂ）に示す仮想面Ａにおけるタンブル流の中央を含む所定範囲に位置する。また、第２測定位置ｂは、第１測定位置に対して図４中、左右方向（吸気ポート１１の２つの開口の並び方向）に位置する。第３測定位置ｃは、図４中、左右方向に、第１測定位置ａを挟んで第２測定位置ｂと反対側に位置する。
【００３７】
ここでは、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃが、図４中、上下方向（ピストン６のストローク方向）の位置が大凡等しく、いずれも吸気ポート１１の２つの開口と、排気ポート１２の２つの開口との間に位置している。第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃは、同一平面（タンブル流の流れ方向に対して垂直な面）内に位置し、より詳しくは、当該面内の同一直線上に位置する。
【００３８】
また、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、および、第３測定位置ｃは、ピストン６の上死点よりも、シリンダヘッド４側である。そのため、測定位置がピストン６によって遮られることがなく、エンジン１の全ての行程におけるガス流速（流速分布）を適切に測定できる。また、その測定結果を用いることで、タンブル流の質の詳細な評価が可能となる。この質の評価については後述する。
【００３９】
評価部１１８は、制御部１１６からガス流速の測定結果を取得し、タンブル流を評価する指標となる値を算出する。
【００４０】
図５は、タンブル流の評価の一例を示す図である。図５では、隔壁２０の形状が異なる２つのエンジンＸ、Ｙについて、タンブル流測定装置１００によるタンブル流の評価結果を示す。
【００４１】
図５において、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃにおけるそれぞれの平均流速を示す。評価部１１８は、第２測定位置ｂの平均流速および第３測定位置ｃの平均流速のそれぞれを、第１測定位置ａの平均流速で除算し、当該除算結果から１を減算した減算結果に１００を乗算することで、流速比率（％）を算出する。
【００４２】
こうして、評価部１１８は、第１測定位置ａの平均流速に対する第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃの平均流速の増減比率、すなわち、燃焼室７の中心の平均流速に対する燃焼室７の端部付近の平均流速のずれ（第１測定位置ａを基準とする流速差分比率）を算出する。この算出結果がタンブル流の質を評価する指標となる。各測定位置における平均流速や流速差分比率は、評価部１１８から図示しない表示部に数値あるいはカラースケール等として出力し、表示することができる。
【００４３】
例えば、エンジンＸでは、第２測定位置ｂの平均流速は、第１測定位置ａの平均流速に対して６０％高く、第３測定位置ｃの平均流速は、第１測定位置ａの平均流速に対して４３％高くなった。すなわち、エンジンＸのタンブル流は、吸気ポート１１の開口の配列方向において流速が高く、中央側の流速が低いこととなる。
【００４４】
また、隔壁２０を改良したエンジンＹでは、第２測定位置ｂの平均流速は、第１測定位置ａの平均流速に対して７％高く、第３測定位置ｃの平均流速は、第１測定位置ａの平均流速に対して３％高くなった。すなわち、エンジンＹのタンブル流は、吸気ポート１１の開口の配列方向において大凡均一な流速を維持していることとなる。
【００４５】
その結果、上死点直前の乱れ強さが、エンジンＸの１．２からエンジンＹの１．３に改善し、エンジンＹの図示燃料消費率（ＩＳＦＣ：Indicated Specific Fuel Consumption）は、エンジンＸの図示燃料消費率に対し、７．８％改善（減少）している。
【００４６】
この結果から、エンジンＹでは、エンジンＸよりもスワール断面内の２次流れが減少したことでタンブル流の質が向上し、タンブル崩壊によって燃焼室７内のガス流の乱れが大きくなり、燃費が改善したといえる。すなわち、評価部１１８が算出した、第１測定位置ａの平均流速に対する第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃの流速比率が、タンブル流を評価する指標として適切であることがわかる。
【００４７】
このように、タンブル流測定装置１００では、燃焼室７内に第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃを設定することで、タンブル流の質を適切に評価することが可能となる。
【００４８】
図６は、変形例のタンブル流測定装置２００を説明するための図であり、タンブル流測定装置２００と、シリンダブロック２およびシリンダヘッド４の図４と同じ位置の断面を示す。上述した実施形態のタンブル流測定装置１００では、収容孔４ｂ、４ｃが、シリンダヘッド４の上面４ｄから燃焼室７まで貫通する場合について説明した。変形例のタンブル流測定装置２００においては、収容孔２０４ｂが、シリンダヘッド４のうち、図６中、左側の側面２０４ｄから燃焼室７まで貫通する。また、収容孔２０４ｃが、シリンダヘッド４のうち、図６中、右側の側面２０４ｅから燃焼室７まで貫通する。収容孔２０４ｂには第２プローブ２１２が配設され、収容孔２０４ｃには第３プローブ２１４が配設される。そして、第２プローブ２１２、第３プローブ２１４は、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃのガス流速を測定する。
【００４９】
このように、シリンダヘッド４の側面２０４ｄ、２０４ｅに設けた収容孔２０４ｂ、２０４ｃに第２プローブ２１２、第３プローブ２１４を収容しても、上述した実施形態と同様、タンブル流の質（流速分布）を適切に測定することができるとともに、タンブル流の質を適切に評価することが可能となる。
【００５０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５１】
例えば、上述した実施形態および変形例では、レーザドップラ流速計によってガス流速を測定する場合について説明したが、ガス流速を測定できれば、レーザドップラ流速計以外の測定装置を用いてもよい。ただし、レーザドップラ流速計を用いることで、燃焼室７の外部に第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４を配置して、燃焼室７の内部のガス流速を測定できるため、プローブによってタンブル流を乱す事態を回避できる。
【００５２】
また、上述した実施形態および変形例では、隔壁２０やＴＧＶ２３が設けられる場合について説明したが、隔壁２０やＴＧＶ２３が設けられていない場合であっても、エンジン１にタンブル流を形成する場合には、タンブル流測定装置１００、２００によってタンブル流の流速分布を適切に測定することができる。
【００５３】
また、上述した実施形態および変形例では、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃがピストン６の上死点よりもシリンダヘッド４側に位置している場合について説明したが、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃは、燃焼室７内であればよく、例えば、より下死点側に位置してもよい。
【００５４】
この場合、第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃは、燃料点火タイミングにおけるピストン６の位置よりも、シリンダヘッド４側であると、圧縮行程において少なくとも燃料点火タイミングまでのタンブル流を測定・評価することが可能となる。
【００５５】
また、上述した実施形態および変形例では、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４は、シリンダヘッド４に設けられた収容孔４ａ、４ｂ、４ｃ、２０４ｂ、２０４ｃに収容される場合について説明したが、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４は、シリンダヘッド４に設けられずともよい。例えば、シリンダブロック２に燃焼室７と連通する収容孔を形成し、この収容孔に第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４を収容してもよい。ただし、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４をシリンダヘッド４に設けられた収容孔４ａ、４ｂ、４ｃ、２０４ｂ、２０４ｃに収容することで、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４がピストン６に遮られなくなる。そのため、第１プローブ１１０、第２プローブ１１２、２１２、第３プローブ１１４、２１４からの射光角度を変更して第１測定位置ａ、第２測定位置ｂ、第３測定位置ｃを変更する場合、位置の設定自由度が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、エンジンのタンブル流の流速分布を測定するタンブル流測定装置およびタンブル流測定方法に利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
ａ  第１測定位置
ｂ  第２測定位置
ｃ  第３測定位置
Ａ  仮想面
４  シリンダヘッド
４ａ、４ｂ、４ｃ、２０４ｂ、２０４ｃ  収容孔
５  シリンダボア
６  ピストン
７  燃焼室
１１  吸気ポート
１００、２００  タンブル流測定装置
１１０  第１プローブ
１１２、２１２  第２プローブ
１１４、２１４  第３プローブ
１１８  評価部
【図１】
0006637342.tif 000002
【図２】
0006637342.tif 000003
【図３】
0006637342.tif 000004
【図４】
0006637342.tif 000005
【図５】
0006637342.tif 000006
【図６】
0006637342.tif 000007