(57)【要約】【課題】旋回流のスワール比を高精度に測定できるスワール測定装置を提供することにある。【解決手段】筒状の流路２内に形成される旋回流Ｓのスワール比を測定するスワール測定装置１において、流路２内の直径方向に支持軸１３を設け、その支持軸１３に旋回流Ｓに応じて傾斜する受板１４を設けると共にその受板１４の傾斜角θを検出する角度検出手段１５を設けたものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の流路内に形成される旋回流のスワール比を測定するスワール測定装置において、上記流路内の直径方向に支持軸を設け、その支持軸に上記旋回流に応じて傾斜する受板を設けると共にその受板の傾斜角を検出する角度検出手段を設けたことを特徴とするスワール測定装置。
【請求項２】
上記受板に、その受板近傍の旋回流の速度を検出する流速検出手段が設けられる請求項１記載のスワール測定装置。
【請求項３】
上記受板は、上記流路内の直径方向に移動可能に設けられる請求項１又は２記載のスワール測定装置。
【請求項４】
上記受板は、該受板の重心位置が上記支持軸に位置するように形成され、かつ上記支持軸から離れるほど薄くなるよう形成される請求項１〜３いずれかに記載のスワール測定装置。
【請求項５】
上記流路はエンジンのシリンダボアを模したダミーシリンダであり、そのダミーシリンダの上部に吸気弁が設けられ、そのダミーシリンダの下部に真空排気装置が接続される請求項１〜４いずれかに記載のスワール測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状の流路内に形成される旋回流のスワール比を測定するスワール測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンのシリンダボア内に吸入される空気のスワール強度は、シリンダボア内における燃料の燃焼状態に大きな影響を及ぼすので、吸気ポートや吸気弁の位置、形状、角度などを変えてスワール強度の変化を調べることが、エンジンの性能や排気ガス等の改善のために重要である。
【０００３】
図６に示すように、従来のスワール測定装置７１は、エンジンのシリンダボアを模した筒状のダミーライナー（ダミーシリンダ）７２内に形成される旋回流（スワール）Ｓのスワール比を測定するものである。スワール比とは、エンジン回転数に対するスワール回転数の比である。
【０００４】
ダミーライナー７２内には軸受７３で支持される回転軸７４が設けられ、回転軸７４の上部にはスワールＳを受けて回転軸７４を回転させるベーン（羽根）７５が取り付けられて固定され、回転軸７４の下部近傍には回転軸７４の回転数を検出する回転センサ７６が設けられる。
【０００５】
装置７１では、ダミーライナー７２内に吸入される空気によってスワールＳが発生すると、ベーン７５がスワールＳを受けることで回転軸７４が回転し、回転軸７４の回転数が回転センサ７６で検出される。この回転軸７４の回転数をスワールＳの回転数として用いると、以下のようにしてスワール比を求めることができる。
【０００６】
まず、予め数１にてエンジン回転数Ｒｅ（ｒｐｍ）を求めておく。ここで、ボア（ダミーライナー７２の内径）Ｂ（ｍ）、ピストンのストロークＳ（ｍ）、吸入された空気の流量Ｑ（ｍ３  ／ｓ）とした。
【０００７】
【数１】
2004293297.tif 000003
【０００８】
このエンジン回転数Ｒｅと、ベーン回転数（回転軸７４の回転数）Ｒｖ（ｒｐｍ）とから、数２によってスワール比Ｋｓが求まる。
【０００９】
【数２】
2004293297.tif 000004
【００１０】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２１１０１６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスワール測定装置７１では、回転軸７４がダミーライナー７２の軸と一致し、ベーン７５が全体のスワールＳを受けて回転軸７４を回転させるので、ダミーライナー７２内の略全体の平均のスワール比しか測定できず、ダミーライナー７２内の任意の位置のスワール比は測定できない。したがって、スワール比分布は測定できない。
【００１３】
また、スワールＳによって回転軸７４が高速回転し、軸受７３に摩擦による大きな回転抵抗が発生するので、実際のスワールＳの回転数と、回転センサ７６で検出した回転軸７４の回転数とが一致せず、正確なスワール比を求めることができないという問題もある。
【００１４】
この場合、軸受７３に発生する回転抵抗を減らすために、脱脂した軸受７３を使用することも考えられるが、脱脂した軸受７３は腐食しやすく、無潤滑のため損傷が激しい。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、旋回流のスワール比分布およびスワール比を高精度に測定できるスワール測定装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、筒状の流路内に形成される旋回流のスワール比を測定するスワール測定装置において、上記流路内の直径方向に支持軸を設け、その支持軸に上記旋回流に応じて傾斜する受板を設けると共にその受板の傾斜角を検出する角度検出手段を設けたスワール測定装置である。
【００１７】
請求項２の発明は、上記受板に、その受板近傍の旋回流の速度を検出する流速検出手段が設けられる請求項１記載のスワール測定装置である。
【００１８】
請求項３の発明は、上記受板は、上記流路内の直径方向に移動可能に設けられる請求項１又は２記載のスワール測定装置である。
【００１９】
請求項４の発明は、上記受板は、該受板の重心位置が上記支持軸に位置するように形成され、かつ上記支持軸から離れるほど薄くなるよう形成される請求項１〜３いずれかに記載のスワール測定装置である。
【００２０】
請求項５の発明は、上記流路はエンジンのシリンダボアを模したダミーシリンダであり、そのダミーシリンダの上部に吸気弁が設けられ、そのダミーシリンダの下部に真空排気装置が接続される請求項１〜４いずれかに記載のスワール測定装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２２】
図１（ａ）は、本発明の好適実施の形態であるスワール測定装置の縦断面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図（横断面図）を示したものである。
【００２３】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本発明に係るスワール測定装置（スワールテスタ）１は、主として、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンのシリンダボアを模した円筒状の流路としてのダミーライナー（ダミーシリンダ）２内に形成される旋回流（スワール）Ｓのスワール比を測定するものである。
【００２４】
ダミーライナー２の下部にはサージタンク３が設けられ、サージタンク３には配管４を介してダミーライナー２およびサージタンク３内の空気を外部へ排気する真空ポンプ５が接続され、配管４と真空ポンプ５間には排気される空気の流量を計る図示しない流量計が設けられる。これらサージタンク３と、配管４と、真空ポンプ５と、流量計とで真空排気装置を構成する。
【００２５】
ダミーライナー２の上部には、外気を取り入れるインレット（吸気）ポート６、吸気ポート６を開閉する吸気弁７、吸気弁７を昇降するバルブリフター８などで構成される測定ヘッド９が設けられる。なお、測定ヘッド９は、排気ポート１０、排気ポート１０を開閉する排気弁１１、排気弁１１を昇降するバルブリフター１２も備えている。
【００２６】
さて、装置１は、ダミーライナー２内の直径方向に設けられて回転可能に支持される支持軸１３と、その支持軸１３に設けられてスワールＳに応じて傾斜する受板としてのフラップ１４と、支持軸１３に設けられてフラップ１４の傾斜角θを検出する角度検出手段１５と、フラップ１４に設けられてフラップ１４近傍のスワールＳの速度（流速）ｆを検出する流速検出手段１６と、角度検出手段１５および流速検出手段１６からの信号を処理する図示しないコンピュータなどの処理手段とを備えている。
【００２７】
支持軸１３は、例えば、炭素鋼や不銹鋼で中空状に形成され、ダミーライナー２の内壁に設けられた軸受１７を介して回転可能に設けられる。より詳細には、支持軸１３は、ダミーライナー２の内壁に穴を２箇所開け、これら各穴に軸受座をそれぞれ設け、これら各軸受座に軸受１７をそれぞれ圧入し、これら軸受１７に支持軸１３がそれぞれ取り付けられる。このとき、支持軸１３の一端あるいは他端は、ダミーライナー２の外壁から突出するようにする。軸受１７は、軸受１７に発生する摩擦による回転抵抗を極力減らすために、例えば、完全に脱脂した深溝玉軸受けベアリングを使用する。
【００２８】
フラップ１４は、支持軸１３に対してスプライン嵌合にて設けられる。これにより、フラップ１４は、支持軸１３と一体回転する（支持軸１３に対して相対的に回転しない）と共に、ダミーライナー２の直径方向（図１（ｂ）では矢印Ｒで示す支持軸１３の軸方向）に移動可能になる。
【００２９】
フラップ１４は、例えば、支持軸１３に嵌めたＯリング１８をフラップ１４の両側近傍に位置させることで、支持軸１３の任意の位置において軸方向に移動しないようにされる。フラップ１４は、支持軸１３の軸方向に手動で移動されるが、自動で移動されるようにしてもよい。支持軸１３の軸方向におけるフラップ１４の位置調整は、予め支持軸１３に目盛りを形成しておき、この目盛りを手がかりに行う。
【００３０】
フラップ１４は、剛性があり、かつ表面を滑らかに仕上げられる材質、例えば、炭素鋼、不銹鋼、アルミニウム合金などの金属類、スチロール樹脂、尿素樹脂、硬質塩化ビニルなどのプラスチック類、ガラス類を使用する。剛性の基準としては、支持軸１３に取り付けられた状態でスワールＳを受けても、空力自励振動（フラッター）を起こさないことが基準となる。表面の滑らかさの基準としてはＪＩＳＢ０６０１で定められた十点平均粗さ１２．７Ｒｚ以上が基準となる。
【００３１】
フラップ１４には、図２に示すように、支持軸１３が挿通される挿通孔２１が形成される。ただし、挿通孔２１は、フラップ１４の先端部１４ａから挿通孔２１の中心までの距離Ｘ１が、フラップ１４の後端部１４ｂから挿通孔２１の中心までの距離Ｘ２の１／５以下となるように形成される。さらに、フラップ１４は、支持軸１３に取り付けられた際、その重心位置が流速検出手段１６も含めて支持軸１３に位置するように（本例では、フラップ１４の先端部１４ａ側に図示しないバランスウエイトとしての鉛、粘性油等を内蔵した。）形成され、かつフラップ１４の挿通孔２１近傍の厚さが支持軸１３の外径φよりやや厚い程度に形成されると共に、支持軸１３からフラップ１４の後端部１４ｂにかけて漸次薄くなるように形成される。また、先端部１４ａ側においても同様に、漸次薄くなるように形成されるのが好ましい。すなわち、フラップ１４は、挿通孔２１の中心を通って挿通孔２１を図２では左右方向に横断する中心線に対して線対称となるように形成される。（条件１）。
【００３２】
これにより、支持軸１３の任意の位置において、フラップ１４がスワールＳを受けて傾斜しやすくなると共に、フラップ１４がスワールＳを整流することを防止できる。
【００３３】
条件１を満たせば、フラップの形状、寸法は特に限定されない。本例のフラップ１４は、図２に示すように側面視で先端側が先太状で後端に行くにしたがい先細状となる上下対称に形成され、かつ図１（ｂ）に示すように平面視で矩形状に形成される。この場合フラップ１４は、その長辺が支持軸１３に垂直となるように、その短辺が支持軸１３に平行となるように支持軸１３に取り付けられる。フラップ１４の長辺の長さｘは、支持軸１３の外径φの１０〜２０倍程度（例えば３０ｍｍ）とし、フラップ１４の短辺の長さｙは、長辺の長さｘの１／３〜２／３倍（例えば１０ｍｍ）程度とする。
【００３４】
角度検出手段１５は、図１（ｂ）に示すように、ダミーライナー２から突出した支持軸１３の端部に設けられている。この角度検出手段１５は、支持軸１３の回転角をフラップ１４の傾斜角として検出するものである。角度検出手段１５は、支持軸１３に摩擦による回転抵抗を与えない非接触式のものを使用する。非接触式の角度検出手段１５としては、例えば、アクセル開度センサなどに使用されるストロークセンサ、レーザ光線反射式、静電容量変化式、ＣｄＳセル方式などが市販されている。角度検出手段１５の精度は、±０．５°以下であれば十分である。角度検出手段１５と上述した処理手段は信号線で接続される。
【００３５】
流速検出手段１６は、例えば、市販の熱電対流速計を使用する。熱電対流速計は、図２に示すように、熱電対と電熱線を束ねて構成される検出部２２を備え、検出部２２がフラップ１４の先端１４ａから若干突出するようにされる。検出部２２を若干突出させるのは、フラップ１４の先後端部１４ａ，１４ｂではスワールの流速が０となるからである。検出部２２の直径は非常に細い（髪の毛程度）ので、スワールにはほとんど影響を与えない。検出部２２からの信号線は、例えば、フラップ１４の内部を通し、支持軸１３内を通して上述した処理手段に接続される。
【００３６】
ここで、熱電流速計を使用したスワールの流速の検出方法を簡単に説明する。図３に示すように、熱電対４１自身は温度計であり、電熱線４２の温度を測定する役割をする。熱電対４１は、２種類の異なる金属（例えば、銅とコンスタンタン）を接合して構成され、接合部に温度を加えると、ゼーベック効果により熱起電力が発生するので、その電圧を計測することで接合部に加えられた温度を測定する。
【００３７】
まず、電熱線４２に電熱線ドライブ装置４３で電圧をドライブすると、電熱線４２の温度が上昇する。電熱線４２の温度を熱電対４１で測定し、その温度測定値に基づき、電熱線４２にドライブする電圧をフィードバック制御装置４４でフィードバック制御することにより、電熱線４２をある一定温度に保つ。この状態でダミーライナー内にスワールを発生させると、スワールによって検出部２２から奪われる熱エネルギーを電熱線ドライブ装置４３が補充しようとするので、このときの電熱線ドライブ装置４３の電圧を測定することで、スワールの流速が求まる。
【００３８】
本実施の形態の作用を説明する。
【００３９】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、まず、スワール比の測定に先立ち、フラップ１４の両側近傍に位置するＯリング１８をフラップ１４から遠ざけ、フラップ１４を支持軸１３の軸方向に手動で移動し、支持軸１３のある位置において、フラップ１４の両側近傍にＯリング１８を近づけ、フラップ１４が支持軸１３の軸方向に移動しないようにする。
【００４０】
この状態で吸気弁７および排気弁１１を閉じ、ダミーライナー２およびサージタンク３内の空気を真空ポンプ５で排気してダミーライナー２およびサージタンク３内の気圧を下げ、吸気弁７のみを開くと、吸気ポート６からダミーライナー２内に外気が吸気され、この外気によってダミーライナー２内にスワールＳが発生する。
【００４１】
フラップ１４は、スワールＳを受けて支持軸１３と一体になって角度θ（ｄｅｇ）回転し、その表裏面がスワールＳに沿うので、スワールＳに応じて水平面に対し角度θ（ｄｅｇ）傾斜する。この傾斜角θは、ダミーライナー２内にスワールＳが発生していれば、真空ポンプ５による空気の排気量が変化しない限り、ほとんど変化しない。傾斜角θは角度検出手段１５によって支持軸１３の回転角として検出され、処理手段で処理される。傾斜角θの検出と同時に、スワールＳの流速ｆ（ｍ／ｓ）は流速検出手段１６によって図４で説明したようにして検出され、処理手段で処理される。
【００４２】
ただし、測定中にフラップ１４の角度が小刻みに変化する場合がある。本発明者は、ある実験条件におけるレイノルズ数から見ると、ダミーライナー２内のスワールＳは、層流と乱流が入り交じっている状態になり、乱流間欠の現象が生じること、また、フラップ１４の角度の時間履歴は、角度が変化しない安定な状態と角度が小刻みに変化する不安定な状態とが入り交じることを確認した。このフラップ１４の小刻みな角度の変化に対しては、処理手段に測定値の時間履歴から最頻値を検出して傾斜角θとする市販のソフトを実装すれば対応できる。
【００４３】
処理手段は、傾斜角θと、流速ｆと、流速検出手段１６のダミーライナー２の中心αからの距離（フラップ１４の位置）ｒ（ｍ）とから、予め記憶された数３によってフラップ１４近傍のスワール回転数Ｒｓ（ｒｐｍ）を求める。
【００４４】
【数３】
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【００４５】
処理手段は、このスワール回転数Ｒｓと、予め記憶された数１で求められるエンジン回転数Ｒｅとから、予め記憶された数４によってフラップ１４近傍のスワール比Ｋｓを求める。
【００４６】
【数４】
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【００４７】
このように、本発明に係るスワール測定装置１では、ダミーライナー２内にスワールＳが発生しても、フラップ１４はスワールＳに応じて傾斜するだけなので、フラップ１４がスワールＳを整流することはなく、一方、支持軸１３はスワールＳに応じてフラップ１４と共に所定角度回転するだけなので、軸受１７に摩擦による回転抵抗が発生することもない。すなわち、数３のスワール回転数Ｒｓは実際のスワールＳの回転数とほぼ一致するので、数４のスワール比Ｋｓを低スワール領域においても高精度に測定できる。
【００４８】
したがって、図６で説明した従来の装置７１のような高速回転するベーン７５や回転軸７４、軸受７３を省略できるので、軸受１７が損傷しにくく、大幅にメンテナンスフリー化を図ることができる。
【００４９】
数４で求めたスワール比Ｋｓは、支持軸１３のある位置のフラップ１４における局所的な数値である。装置１では、フラップ１４が支持軸１３の軸方向に移動可能なので、フラップ１４を支持軸１３の別の位置に移動し、その位置でスワール比を同様にして求めれば、ダミーライナー２内の直径方向の任意位置におけるスワール比を高精度に測定できる。これにより、ダミーライナー２内のスワール比分布も高精度に測定できる。
【００５０】
さらに、このスワール比分布からダミーライナー２内全体の平均的なスワール比を求めることもできる。具体的に言えば、処理手段は、支持軸１３上を移動させるフラップ１４の刻みｄ（ｍ）と、個々の位置のスワール比Ｓｉと、測定回数ｎ（＝Ｂ／ｄ／２）とから、予め記憶された数５によって全体の平均的なスワール比Ｓａを求める。
【００５１】
【数５】
2004293297.tif 000007
【００５２】
また、軸受１７の種類によっては、軸受１７の部分においてダミーライナー２の気密が保たれなくなり、正確な測定が行えない場合がある。この場合には、図４に示すように、ダミーライナー２の外周をダミーライナー２の外径よりも大きな内径を有する気密保持用外筒５１で覆えばよい。この場合、外筒５１の内壁に角度検出手段１５を設け、信号線のみを外筒５１を通して取り出すようにする。また、図５に示すように、外筒５１の外壁に角度検出手段１５を設けてもよいが、この場合には、外筒５１の外壁と角度検出手段１５間の隙間を塞止材などで気密にシールする。
【００５３】
上記実施の形態では、ダミーライナー２内に支持軸１３を回転可能に設けた例で説明したが、支持軸１３はダミーライナー２に固定されるようにしてもよい。この場合、支持軸１３にフラップ１４を回転可能に設け、このフラップの傾斜角をレーザ等で直接測定すればよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００５５】
（１）旋回流のスワール比を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の好適実施の形態を示す縦断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線断面図（横断面図）である。
【図２】フラップの部分側断面図である。
【図３】熱電対流速計の測定原理を示すブロック図である。
【図４】本発明に係るスワール測定装置の別の形態を示す横断面図である。
【図５】本発明に係るスワール測定装置のさらに別の形態を示す横断面図である。
【図６】従来のスワール測定装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１  スワール測定装置
２  ダミーライナー（流路）
１３  支持軸
１４  受板
１５  角度検出手段
１６  流速検出手段
Ｓ  旋回流
θ  受板の傾斜角
【図１】
2004293297.tif 000008
【図２】
2004293297.tif 000009
【図３】
2004293297.tif 000010
【図４】
2004293297.tif 000011
【図５】
2004293297.tif 000012
【図６】
2004293297.tif 000013