(57)【要約】 【課題】  超音波発受信素子を使用せずに計測空間の温度分布を測定することのできる技術を提供する。【解決手段】  空間温度計測装置１００は、光源装置５０と、受光装置６０と、計測情報取得部と、計測情報処理部とを備える。光源装置５０は、計測空間である模擬燃焼室２０に向けて赤外光を射出する赤外光射出部５６を有する。受光装置６０は、模擬燃焼室２０を通過した後の赤外光を受光する赤外光受光部６２を有する。計測情報取得部は、受光部６２における受光量に基づいて計測空間の赤外光吸収情報を取得する。計測情報処理部は、この赤外光吸収情報に基づいて、模擬燃焼室２０内の温度分布を求める。【選択図】  図１
2005164453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測空間内の温度分布を測定する装置であって、
前記計測空間に向けて赤外光を射出する赤外光射出部を有する光源装置と、
前記計測空間を通過した後の赤外光を受光する赤外光受光部を有する受光装置と、
前記受光部における受光量に基づいて前記計測空間の赤外光吸収情報を取得する計測情報取得部と、
前記赤外光吸収情報に基づいて前記計測空間内の温度分布を求める計測情報処理部と、
を備える空間温度計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の空間温度計測装置であって、
前記計測空間は、内燃機関の燃焼室を模擬した模擬燃焼室であり、
前記模擬燃焼室は、透光性材料で形成された透光性シリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、前記ピストンを上下に移動させるためのピストン駆動機構とを備えており、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とは、前記透光性シリンダを挟んで対向する位置に設置されている、空間温度計測装置。
【請求項３】
請求項２記載の空間温度計測装置であって、
前記計測情報処理部は、前記ピストンの上昇を伴う圧縮行程中における前記模擬燃焼室内の温度分布を算出する、空間温度計測装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の空間温度計測装置であって、さらに、
前記透光性シリンダの外周を覆う密閉室と、
前記密閉室に窒素を充填するための窒素導入口と、
を備え、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とは、前記密閉室内に設置されている、空間温度計測装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の空間温度計測装置であって、
前記赤外光射出部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿った異なる位置に複数個設けられており、
各赤外光射出部は、前記模擬燃焼室が前記ピストンの上下運動のサイクルを繰り返し実行する間に、互いに異なるサイクルであって前記ピストンが同一位置にあるタイミングで１つずつ前記透光性シリンダに向けて発散光である赤外光を射出し、
前記赤外光受光部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿って配置された複数の受光素子を有しており、前記複数の受光素子の配置は、前記各赤外光射出部から射出された赤外光がそれぞれ一部の受光素子によって受光されるように決定されている、
空間温度計測装置。
【請求項６】
請求項２ないし４のいずれかに記載の空間温度計測装置であって、さらに、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とを前記透光性シリンダの周方向に沿って移動させるための光学系移動機構を備え、
前記赤外光射出部は、前記模擬燃焼室が前記ピストンの上下運動のサイクルを繰り返し実行する間に、前記透光性シリンダの周方向に沿った複数の位置に移動するとともに、各周方向位置において、互いに異なるサイクルであって前記ピストンが同一位置にあるタイミングで前記透光性シリンダに向けて赤外光を射出する、空間温度計測装置。
【請求項７】
請求項６記載の空間温度計測装置であって、
前記赤外光射出部は、前記透光性シリンダに向けて発散光である赤外光を射出し、
前記赤外光受光部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿って配置された複数の受光素子を有している、空間温度計測装置。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれかに記載の空間温度計測装置であって、
前記光学系移動機構は、前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とを前記透光性シリンダの軸線方向に沿って移動させる機構を有する、空間温度計測装置。
【請求項９】
請求項２ないし８のいずれかに記載の空間温度計測装置であって、
前記光源装置は、異なる主波長を有する複数の赤外光を射出することが可能であり、
前記計測情報処理部は、前記異なる主波長の赤外光の吸収率の比に基づいて前記計測空間内の温度分布を求める、空間温度計測装置。
【請求項１０】
請求項９記載の空間温度計測装置であって、
前記計測情報取得部は、さらに、前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力を取得することが可能であり、
前記計測情報処理部は、前記異なる主波長の赤外光の吸収率の比と、前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力とに基づいて、前記計測空間内の温度分布を求める、空間温度計測装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の空間温度計測装置であって、
前記ピストン駆動機構は、クランク軸回りの回転に伴って前記ピストンを上下に移動させるためのクランクと、前記クランクの回転角を検出するためのクランク角センサとを有しており、
前記計測情報処理部は、前記クランク角センサの出力信号に応じて前記前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力を決定する、空間温度計測装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の空間温度計測装置であって、
前記計測情報処理部は、コンピュータトモグラフィを用いて前記計測空間の温度分布を算出する、空間温度計測装置。
【請求項１３】
計測空間内の温度分布を測定する方法であって、
（ａ）前記計測空間に向けて赤外光を射出する工程と、
（ｂ）前記計測空間を通過した後の赤外光を受光する工程と、
（ｃ）前記赤外光の受光量に基づいて前記計測空間の赤外光吸収情報を取得する工程と、
（ｄ）前記赤外光吸収情報に基づいて前記計測空間内の温度分布を求める工程と、
を備える空間温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、計測空間内の温度分布を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
計測空間内の温度分布を測定する技術を開示した文献としては、例えば以下のものがある。
【０００３】
【特許文献１】特公平６−７９０７０号公報
【特許文献２】特開平８−１７７６０４号公報
【特許文献３】特公平４−８０３３１号公報
【特許文献４】特許第２８８９４１６号公報
【特許文献５】特開平１０−２０６２８６号公報
【０００４】
特許文献１の技術では、原子炉の炉内の周方向に複数の超音波発受信素子を対向して配置する。そして、これらの素子を用いて炉内における超音波の伝搬時間と減衰量を測定し、この伝搬時間と減衰量を用いて、炉内の温度分布や流速分布、炉内構造物の分布像などを同時に求めている。
【０００５】
しかし、この技術では、超音波発受信素子を用いているので、高温の計測空間には使用することができないという問題があった。また、超音波は屈折しやすいので受信時の雑音成分が高く、測定精度が低いという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、超音波発受信素子を使用せずに計測空間の温度分布を測定することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明による装置は、計測空間内の温度分布を測定する装置であって、
前記計測空間に向けて赤外光を射出する赤外光射出部を有する光源装置と、
前記計測空間を通過した後の赤外光を受光する赤外光受光部を有する受光装置と、
前記受光部における受光量に基づいて前記計測空間の赤外光吸収情報を取得する計測情報取得部と、
前記赤外光吸収情報に基づいて前記計測空間内の温度分布を求める計測情報処理部と、
を備える。
【０００８】
この装置によれば、赤外光吸収情報を利用するので、超音波発受信素子を使用せずに計測空間の温度分布を測定することができる。
【０００９】
なお、前記計測空間は、内燃機関の燃焼室を模擬した模擬燃焼室であり、
前記模擬燃焼室は、透光性材料で形成された透光性シリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、前記ピストンを上下に移動させるためのピストン駆動機構とを備えており、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とは、前記透光性シリンダを挟んで対向する位置に設置されているものとしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、透光性シリンダを有する模擬燃焼室を利用しているので、この透光性シリンダを通過した赤外光を受光することによって、模擬燃焼室内の赤外光の吸収情報を得ることができる。この結果、模擬燃焼室内の温度分布を求めることができる。
【００１１】
前記計測情報処理部は、前記ピストンの上昇を伴う圧縮行程中における前記模擬燃焼室内の温度分布を算出するようにしてもよい。
【００１２】
内燃機関の圧縮行程中の温度分布は、その後の着火の有無や着火後の燃焼特性に大きな影響を与える。従って、内燃機関の圧縮行程中の温度分布が得られれば、内燃機関の構造や制御方法の改善に役立てることができる。
【００１３】
前記透光性シリンダの外周を覆う密閉室と、
前記密閉室に窒素を充填するための窒素導入口と、
を備え、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とは、前記密閉室内に設置されていてもよい。
【００１４】
窒素は赤外光の吸収が少ないので、赤外光の射出部と受光部とを窒素で充填された密閉室内に設置しておけば、模擬燃焼室の外側における赤外光の吸収を低減することができる。この結果、模擬燃焼室内における赤外光吸収情報をより高精度で得ることが可能である。
【００１５】
前記赤外光射出部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿った異なる位置に複数個設けられており、
各赤外光射出部は、前記模擬燃焼室が前記ピストンの上下運動のサイクルを繰り返し実行する間に、互いに異なるサイクルであって前記ピストンが同一位置にあるタイミングで１つずつ前記透光性シリンダに向けて発散光である赤外光を射出し、
前記赤外光受光部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿って配置された複数の受光素子を有しており、前記複数の受光素子の配置は、前記各赤外光射出部から射出された赤外光がそれぞれ一部の受光素子によって受光されるように決定されているようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、特定のピストン位置における模擬燃焼室内の２次元的な温度分布を得ることが可能である。
【００１７】
上記空間温度計測装置は、さらに、
前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とを前記透光性シリンダの周方向に沿って移動させるための光学系移動機構を備え、
前記赤外光射出部は、前記模擬燃焼室が前記ピストンの上下運動のサイクルを繰り返し実行する間に、前記透光性シリンダの周方向に沿った複数の位置に移動するとともに、各周方向位置において、互いに異なるサイクルであって前記ピストンが同一位置にあるタイミングで前記透光性シリンダに向けて赤外光を射出するようにしてもよい。
【００１８】
この構成によっても、特定のピストン位置における模擬燃焼室内の２次元的な温度分布を得ることが可能である。
【００１９】
前記赤外光射出部は、前記透光性シリンダに向けて発散光である赤外光を射出し、
前記赤外光受光部は、前記透光性シリンダの外側の周方向に沿って配置された複数の受光素子を有しているようにしてもよい。
【００２０】
この構成によれば、赤外光の１回の射出によって複数の光路上における赤外光吸収情報を取得することができ、測定時間を短縮することが可能である。
【００２１】
前記光学系移動機構は、前記赤外光射出部と前記赤外光受光部とを前記透光性シリンダの軸線方向に沿って移動させる機構を有するようにしてもよい。
【００２２】
この構成によれば、模擬燃焼室内の３次元的な温度分布を取得することが可能である。
【００２３】
前記光源装置は、異なる主波長を有する複数の赤外光を射出することが可能であり、
前記計測情報処理部は、前記異なる主波長の赤外光の吸収率の比に基づいて前記計測空間内の温度分布を求めるようにしてもよい。
【００２４】
吸収率の比は温度に依存するので、この比から計測空間内の各位置の温度を算出することができる。
【００２５】
前記計測情報取得部は、さらに、前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力を取得することが可能であり、
前記計測情報処理部は、前記異なる主波長の赤外光の吸収率の比と、前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力とに基づいて、前記計測空間内の温度分布を求めるようにしてもよい。
【００２６】
吸収率の比は圧力にも依存するので、圧力も利用して温度を求めることによって、温度分布をより正確に得ることが可能である。
【００２７】
前記ピストン駆動機構は、クランク軸回りの回転に伴って前記ピストンを上下に移動させるためのクランクと、前記クランクの回転角を検出するためのクランク角センサとを有しており、
前記計測情報処理部は、前記クランク角センサの出力信号に応じて前記前記赤外光受光部の受光時における前記計測空間の圧力を決定するようにしてもよい。
【００２８】
この構成によれば、クランク角センサの信号から、模擬燃焼室内の圧力を得ることが可能である。
【００２９】
前記計測情報処理部は、コンピュータトモグラフィを用いて前記計測空間の温度分布を算出するようにしてもよい。
【００３０】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、空間温度の計測方法および装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例
【００３２】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例の空間温度計測装置１００の概念図である。この装置１００は、内燃機関の燃焼室を模擬した模擬燃焼室２０内の温度分布を計測するためのものでる。模擬燃焼室２０は、透光性シリンダ２２と、ピストン２４と、シリンダヘッド２６とを備えている。透光性シリンダ２２は、赤外線を透過させる材質で形成されており、例えば石英ガラスやサファイアガラスで形成されている。ピストン２４とシリンダヘッド２６としては、実際の燃焼室用のピストンやシリンダヘッドを使用してもよく、あるいは、これらを模擬したものを使用してもよい。なお、模擬燃焼室２０は、圧縮行程でかなり高温（約６００Ｋ〜約１２００Ｋ）に達するので、各部材２２，２４，２６は、この高温に耐える耐熱材料で形成される。
【００３３】
透光性シリンダ２２の外側には、密閉室３０が設けられている。密閉室３０の中には、略リング状の光学系設置板８０が設置されている。光学系設置板８０は、赤外光射出部５６と赤外光受光部６２を支持している。赤外光は、光源装置５０によって生成されて赤外光射出部５６から射出され、模擬燃焼室２０を通過した後に赤外光受光部６２で受光される。受光装置６０は、赤外光受光部６２で受光された赤外光の情報（計測情報）を取得する。密閉室３０には、窒素ボンベ４０から窒素が充填される。窒素は、赤外線をほとんど吸収しないので、密閉室３０内での赤外線の吸収を低減することができ、模擬燃焼室２０内の温度計測の精度を高めることが可能である。
【００３４】
空間温度計測装置１００の全体は、コンピュータ７０によって制御される。コンピュータ７０は、測定で得られた情報（計測情報）を処理する機能も有している。
【００３５】
図２は、模擬燃焼室２０の縦断面および温度計測に関連する各種の構成を示す説明図である。シリンダヘッド２６としては、実際の内燃機関のシリンダヘッドが用いられている。このシリンダヘッド２６には、吸気弁９２と、排気弁９４と、筒内圧センサ９６と、燃料噴射弁９８とが設けられている。温度分布の測定時には、吸気弁９２と排気弁９４は動作させずに閉状態に保たれる。但し、実際に吸気弁９２や排気弁９４を開閉動作させながら温度測定を行うことも可能である。また、実験条件としては、燃料噴射を行う条件や、燃料噴射を行わない条件などの種々の条件を採用することができる。燃料噴射を行う条件では、吸気弁９２や排気弁９４も開閉動作させることが好ましい。
【００３６】
シリンダヘッド２６の下には、透光性シリンダ２２と密閉用シリンダ３２がそれぞれリング状のガスケット１８０，１８２を挟んで固定されている。また、透光性シリンダ２２と密閉用シリンダ３２の下部には、リング状のガスケット１８４，１８６を挟んで底板３４が固定されている。シリンダヘッド２６の下面と、２つのシリンダ２２、３２と、底板３４とは、密閉室３０を構成している。図１でも述べたように、密閉室３０内には、リング状の光学系配置板８０が配置されており、光学系配置板８０の上に赤外光射出部５６と赤外光受光部６２とが設けられている。光学系配置板８０は、配置板移動機構８２によってシリンダ２２の軸心方向（図２の上下方向）に沿って移動可能である。底板３４には、密閉室３０内に窒素を導入するための窒素導入口３６が設けられている。
【００３７】
密閉用シリンダ３２は、密閉室３０を構成するための壁材で形成されていれば良いが、外部から観察しやすいようにするために、透光性の材料で形成することが好ましい。また、密閉用シリンダ３２の内側にある透光性シリンダ２２はかなりの高温になるので、密閉用シリンダ３２もある程度の高温に耐えられる耐熱材料で形成することが好ましい。例えば、密閉用シリンダ３２は、透光性シリンダ２２と同様に、石英ガラスやサファイアガラスで形成することができる。
【００３８】
光源装置５０は、赤外光射出部５６の他に、赤外光源５２と、光ファイバ５４とを有している。赤外光源で生成された赤外光は、光ファイバ５４を介して赤外光射出部５６に供給される。赤外光射出部５６から射出された赤外光は、模擬燃焼室内を通過した後に、赤外光受光部６２で受光される。赤外光受光部６２で受け取られた赤外光Ｌrecは、光ファイバ６４を介してコンピュータ７０に供給される。この代わりに、赤外光受光部６２において受光量を示す受光信号を生成し、この受光信号をコンピュータ７０に供給するようにしてもよい。
【００３９】
ピストン２４は、コネクティングロッド１２を介してクランク１４に接続されている。クランク１４は、クランク回転用モータ１６によって駆動される。換言すれば、コネクティングロッド１２とクランク１４とクランク回転用モータ１６は、ピストン駆動機構を構成している。クランク１４の回転角は、クランク角センサ１８によって測定される。
【００４０】
コンピュータ７０は、試験実行部７２と、計測情報取得部７４と、計測情報処理部７６とを有している。試験実行部７２は、赤外光源５２や各種の駆動機構１６，８２を制御して、所望の条件で温度計測実験を実行する。計測情報取得部７４は、赤外光受光部６２からの赤外光Ｌrecと、クランク角センサ１８からのクランク角信号Ｓcrと、筒内圧センサ９６からの筒内圧信号Ｓprとを含む各種の計測信号を受け取り、デジタル値として図示しない記憶装置（例えばハードディスク）に格納する。なお、計測信号で表される情報を「計測情報」とも呼ぶ。計測情報処理部７６は、こうして得られた計測情報を処理することによって、模擬燃焼室２０内の空間的な温度分布を算出する。この算出方法については後述する。
【００４１】
図３は、赤外光射出部５６と赤外光受光部６２の水平配置を示す説明図である。赤外光射出部５６は、密閉室内（すなわちシリンダ２２，３２の間）において、透光性シリンダ２２の外側の周方向に沿った異なる位置に複数個配置されている。図３の例では、等間隔に５つの赤外光射出部５６ａ〜５６ｅが配置されている。赤外光受光部６２は、透光性シリンダ２２を挟んで赤外光射出部５６と対向する位置に設けられており、透光性シリンダ２２の外周に沿って配置された複数の受光素子６３を含む円弧状の形状を有している。これらの複数の受光素子６３も、一定ピッチで配置されている。各赤外光射出部５６ａ〜５６ｅからは、赤外線が発散光として射出される。この発散光は、均一な光強度を有することが好ましい。図３では、図示の便宜上、第１の射出部５６ａと第５の射出部５６ｅからの赤外光の外縁が一点鎖線で示されている。１つの赤外光射出部から射出される赤外光は、透光性シリンダ２２の水平方向の幅をカバーする範囲に広がっていることが好ましい。ここで、「水平方向」とは、シリンダ２２の軸心方向と垂直な方向を意味する。但し、赤外光射出部から射出される赤外光は、シリンダ２２の軸心方向には広がっている必要は無い。このような赤外光を射出するために、例えば、各赤外光射出部５６ａ〜５６ｅの射出側に、水平方向に屈折力を有するシリンドリカルレンズを設けるようにしてもよい。
【００４２】
なお、実験時には、模擬燃焼室の１サイクルでは１つの射出部からのみ赤外光が射出される。そして、各射出部５６ａ〜５６ｅは、異なるサイクルの同じタイミングでそれぞれ赤外光を射出する。各赤外光射出部５６ａ〜５６ｅから射出された赤外光は、赤外光受光部６２の一部に相当する複数の受光素子６３によってそれぞれ受光される。
【００４３】
図４は、光源装置５０と受光装置６０の構成を示す説明図である。光源装置５０は、前述したように、赤外光源５２と、光ファイバ５４と、赤外光射出部５６ａ〜５６ｅとで構成されている。赤外光源５２は、異なる主波長λ１，λ２を有する２つの赤外光を生成するための２つのレーザ１１０，１１２と、これらの２つの赤外光を合成するハーフミラー１１４と、合成された赤外光を均一に拡大して複数の光ファイバ５４に振り分ける拡大光学系１１６とを有している。本明細書において、「主波長」とは、赤外光の波長範囲の中央の波長値を意味している。各赤外光射出部５６ａ〜５６ｅは、図示しないシャッタをそれぞれ有しており、赤外光を射出しないときにはシャッタが閉鎖される。通常は、１つの赤外光射出部のみから赤外光が射出されるので、その間は他の赤外光射出部のシャッタは閉じられている。
【００４４】
受光装置６０は、複数の受光素子６３で構成された赤外光受光部６２と、光ファイバ６４と、計測情報取得部７４（図２）内に設けられた赤外光処理回路１２０とで構成される。赤外光処理回路１２０は、光ファイバ６４を介して供給された赤外光Ｌrecを２分割するためのハーフミラー１２２および光学ミラー１２４と、２分割された赤外光から主波長λ１，λ２の光のみをそれぞれ通過させる光学フィルタ１３２，１３４（バンドパスフィルタ）と、光学フィルタ１３２，１３４を通過した２つの赤外光を電気信号Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ変換する光電子変換素子１４２，１４４と、Ａ−Ｄ変換器１５０とを有している。これらの電気信号Ｓ１，Ｓ２は、主波長λ１，λ２の赤外光の受光量をそれぞれ示す信号である。赤外光の一部は、透光性シリンダ２２内の高温の気体によって吸収される。赤外光の吸収率は気体の温度に依存するので、その吸収率から気体の温度を決定することが可能である。
【００４５】
図５（Ａ）は、赤外光の波長と吸収率との関係を示すグラフである。ここでは、一例として、大気圧下の水蒸気による吸収率の例を示している。この例からも理解できるように、気体による赤外光の吸収率は、波長に依存し、また、温度にも依存する。本実施例では、第１の主波長λ１を有する波長範囲Ａの第１の赤外光と、第２の主波長λ２を有する波長範囲Ｂの第２の赤外光とを利用している。これらの２つの波長範囲Ａ，Ｂは、それぞれ少なくとも１つの吸収ピークを含んでいることが好ましい。なお、波長が０．７５μｍ〜３μｍの範囲の赤外光は「近赤外光」と呼ばれている。サファイヤガラスや赤外用石英ガラスは、近赤外光に対する透過率が約０．９でほぼ一定の高い値を示すので、温度計測に近赤外光を利用することが好ましい。第１の波長範囲Ａの赤外光で測定される吸収率は、その波長範囲Ａの吸収率の平均値（吸収率のグラフの積分に相当する）に比例した値である。同様に、第２の波長範囲Ｂの赤外光で測定される吸収率は、その波長範囲Ｂの吸収率の平均値に比例した値である。以下の説明では、このような平均的な吸収率も、単に「吸収率」と呼ぶ。
【００４６】
図５（Ｂ）は、２つの赤外光の吸収率の比（「吸収比Ｂ／Ａ」と呼ぶ）と温度との関係を示している。この図から理解できるように、吸収比Ｂ／Ａは温度の上昇に応じて単調に増加する。また、破線で示すように、気体の圧力が増大すると、吸収比Ｂ／Ａもこれにつれて変化する。この理由は、気体の圧力が増大すると密度も増大するので、吸収率が変化するためである。従って、模擬燃焼室２０内の温度を正確に求めるためには、模擬燃焼室２０内の圧力を求め、圧力と吸収比Ｂ／Ａの両方を利用することが好ましい。
【００４７】
図６は、模擬燃焼室２０内の圧力とクランク角度との関係を示すグラフである。本実施例の装置１００では、模擬燃焼室２０（図２）内の気体は着火せず、また、吸気弁９２や排気弁９４も開かない。従って、ピストン２４が上死点ＴＤＣ付近で模擬燃焼室２０内の圧力がピークとなる。このような圧力とクランク角度との関係は、温度計測の実験前に予め記録しておき、計測情報処理部７６に格納しておくことができる。こうすれば、温度計測実験では、クランク角信号Ｓcrから模擬燃焼室２０内の圧力を算出することができる。この代わりに、温度計測実験においても、筒内圧センサ９６を用いて模擬燃焼室２０内の圧力を検出するようにしてもよい。
【００４８】
図５（Ｂ）に示す温度と吸収比Ｂ／Ａとの関係を示すデータは、複数の圧力毎に予め準備され、計測情報処理部７６（図２）内に格納されている。計測情報処理部７６は、図５（Ｂ）のデータと図６のデータとを用い、実験で得られた計測情報を解析することによって、模擬燃焼室２０内の気体の温度分布を算出する。なお、吸収率Ａ，Ｂを求めるために、基準となる温度（通常は常温）において赤外光射出部５６ａ〜５６ｅから赤外光を射出した時の受光量が予め測定されており、基準受光量として予め登録されている。温度計測実験時の赤外光の吸収量は、温度計測実験時の受光量と基準受光量との差分によって得られる。
【００４９】
なお、図５（Ｂ）や図６のデータは、模擬燃焼室２０内に封入される気体の成分に応じてそれぞれ予め求めておくことが好ましい。例えば、模擬燃焼室２０内に封入される気体の成分が、空気（窒素および酸素）と水蒸気とガソリンとの混合気である場合には、図５（Ｂ）に示す吸収比データとしては、窒素と、酸素と、水蒸気と、ガソリンのそれぞれの値が準備される。この代わりに、混合気に関する吸収比データを準備しておいてもよい。また、図６のデータとしては、その混合気に関するものが準備される。
【００５０】
図７は、第１実施例における温度計測実験の手順を示すフローチャートである。この手順は、試験実行部７２によって実行される。なお、温度計測実験は、暗室内において実行することが好ましい。この理由は、測定に用いる赤外光と同じ波長を有する環境光が誤測定されないようにするためである。
【００５１】
ステップＴ１ではピストン２４の上下動を開始し、ステップＴ２では光学系配置板８０を所望の測定高さに移動する。ステップＴ３では、複数の赤外光射出部５６の中から１つの射出部を選択する。ステップＴ４では、所定のクランク角に達するまで待機し、所定のクランク角に達したときに、赤外光処理回路１２０（図４）を用いて受光量信号Ｓ１，Ｓ２を取得する（ステップＴ５）。前述したように、受光量信号Ｓ１，Ｓ２は、第１と第２の主波長λ１，λ２の赤外光の受光量を示す信号である。ステップＴ６では、全部の赤外光射出部５６に関する測定が終了したか否かを判断し、終了していなければステップＴ３に戻って次の赤外光射出部５６を選択する。こうして、ステップＴ３〜Ｔ６を繰り返すことによって、同一のクランク角度および同一の測定高さについて、個々の赤外光射出部５６から赤外光を射出したときの受光量信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ得られる。
【００５２】
ステップＴ７では、測定対象とすべき複数の測定高さの全部について測定が終了したか否かを判断し、終了していなければステップＴ２に戻って光学系配置板８０を次の測定高さに移動させる。こうして、ステップＴ２〜Ｔ７を繰り返すことによって、同一のクランク角度において、複数の測定高さにおける赤外光の受光量信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ得られる。
【００５３】
こうして測定が終了すると、ステップＴ８において、計測情報処理部７６が計測情報を用いてＣＴ（コンピュータトモグラフィ）処理を実行し、模擬燃焼室２０内の３次元的な温度分布を算出する。具体的には、例えば、まず、ある測定高さにおいて、個々の赤外光射出部５６から赤外光を射出したときの第１の受光量信号Ｓ１を用いてＣＴ処理を行うことによって、模擬燃焼室２０内の第１の吸収率Ａの２次元分布が得られる。同様に、同じ測定高さにおける第２の受光量信号Ｓ２を用いてＣＴ処理を行うことによって、模擬燃焼室２０内の第２の吸収率Ｂの２次元分布が得られる。そして、模擬燃焼室２０内の同じ位置における２つの吸収率の比Ｂ／Ａを求め、この比Ｂ／Ａの値を図５（Ｂ）に示すデータと比較することによって、各位置における温度を決定することができる。なお、この際、測定に用いたクランク角度に応じて、図６に示すデータから模擬燃焼室２０内の圧力が推定され、この圧力に応じて図５（Ｂ）に示す吸収比Ｂ／Ａと温度との関係を示すデータが１つ選択される。こうして、ある測定高さについて、模擬燃焼室２０内の２次元的な温度分布を求めることができる。図７の手順では、複数の測定高さについて測定を行っているので、各測定高さについての２次元的な温度分布から、３次元的な温度分布を得ることができる。
【００５４】
以上のように、第１実施例では、赤外線を用いて模擬燃焼室２０内の温度分布を求めているので、模擬燃焼室２０内がかなり高温になっても燃焼室内の温度分布を得ることができる。従来使用されていた超音波受発信素子では、最高使用温度が約１００℃（３７３Ｋ）であるが、模擬燃焼室２０内は６００Ｋ〜１２００Ｋにも達するので、模擬燃焼室２０内の温度分布を測定するために使用することができない。これに対して、赤外線を利用すれば、このような温度の制約が無く、６００Ｋ〜１２００Ｋの温度範囲でも温度分布を測定することが可能である。
【００５５】
また、本実施例では、異なる主波長λ１，λ２を有する２つの赤外光の吸収率の比に基づいて温度分布をＣＴ処理によって算出するので、正確な温度分布を得ることができる。特に、本実施例では気体の複数の圧力値に対して吸収比と温度との関係をそれぞれ求めておき、これを利用して実験時の圧力と吸収比Ｂ／Ａから温度を決定しているので、より正確な温度分布を得ることが可能である。
【００５６】
第１実施例では、さらに、所望のクランク角における温度分布を求めることが可能であり、特に、圧縮行程中の所定のクランク角における模擬燃焼室内の３次元的な温度分布を得ることができる。そして、複数のクランク角において３次元的な温度分布を求めることによって、燃焼室の最適な構造や、燃料噴射の最適な時期、吸気弁９２や排気弁９４の最適な開弁期間などを決定するための基礎データとして利用することができる。
【００５７】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例における光学系の構成を示す説明図である。第２実施例の温度計測装置の構成は、光学系の構成以外は第１実施例の装置とほぼ同じなので、装置全体の詳細な説明は省略する。
【００５８】
第２実施例では、赤外光射出部５６は１つだけ設けられている。また、赤外光受光部６２は、この赤外光射出部５６と対向する位置に、赤外光射出部５６から射出される赤外光の範囲をカバーする長さにわたって設けられている。赤外光射出部５６と赤外光受光部６２は、光学系配置板８０の上に設けられている。第２実施例では、図２に示した配置板移動機構８２は、光学系配置板８０を上下に（すなわちシリンダ２２の軸心方向に沿って）移動させるのみでなく、シリンダ２２の外周方向に沿って回転させて任意の複数の位置に位置決めすることが可能である。第２実施例では、図７の手順のステップＴ３において赤外光射出部５６を選択する代わりに、光学系配置板８０の周方向位置を移動させる。図７の他のステップは第１実施例と同じである。
【００５９】
この第２実施例の装置を用いても、第１実施例と同様に、模擬燃焼室内の温度分布を実験的に求めることが可能である。第２実施例の装置では、光学系の構成が第１実施例よりも単純であるという利点がある。一方、第１実施例では、光学系駆動機構８２が第２実施例よりも単純であるという利点がある。
【００６０】
Ｃ．第３実施例：
図９は、第３実施例における光学系の構成を示す説明図である。第３実施例の温度計測装置の構成は、光学系の構成以外は第１実施例の装置とほぼ同じである。
【００６１】
第３実施例では、２つの赤外光射出部５６，２２０と、２つの赤外光受光部６２，２３０が設けられている。第１の赤外光射出部５６は測定光Ｌmesを射出し、第２の赤外光射出部２２０は基準光Ｌrefを射出する。これらの２つの光は、いずれも異なる主波長λ１，λ２の赤外光を含む合成光であり、赤外光源５２（図４）で生成される。第１の赤外光射出部５６から射出された光は、ポリゴンミラー２１０で偏向され、透光性シリンダ２２の全体にわたる範囲で走査される。走査された光は、円弧状の第１の赤外光受光部６２によって受光される。
【００６２】
図１０は、ポリゴンミラー２１０によって走査される測定光Ｌmesの角度範囲αを示す説明図である。走査角度範囲αは、透光性シリンダ２２の全幅にわたっている。ポリゴンミラー２１０は、図１０に示す位置Ｐ１の他に、同一円周上の等間隔の複数の位置Ｐ２〜Ｐ８において位置決めされ、各位置において赤外光の測定が行われる。ポリゴンミラー２１０と、第１の赤外光射出部５６（図９）と、第１の赤外光受光部６２とは、同一の光学系配置板上に固定されている。従って、ポリゴンミラー２１０の位置が回転すると、第１の赤外光射出部５６と第１の赤外光受光部６２の位置も回転する。
【００６３】
第２の赤外光射出部２２０から射出される光は、透光性シリンダ２２とは干渉しない位置を通って、第２の赤外光受光部２３０で直接受光される。２つの赤外光受光部６２，２３０で受光された光は、赤外光処理回路１２０（図４）によって処理される。
【００６４】
この第２実施例の装置では、測定光Ｌmesとは別に基準光Ｌrefを利用しているので、第１実施例のように、密閉室３０内に光学系を配置して窒素で密閉する必要が無い。この理由は、測定光Ｌmesの空気（特に酸素）による吸収量は、基準光Ｌrefの受光量によって補正できるからである。第３実施例では、密閉室３０が不要なので、模擬燃焼室まわりの広い空間を利用して温度計測装置を構築できるという利点がある。
【００６５】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６６】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、主波長の異なる２つの赤外光を用いていたが、３つ以上の赤外光を用いてもよい。すなわち、一般には、主波長の異なる複数の赤外光の吸収率の比を利用して温度分布を測定することが可能である。
【００６７】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例においては、燃焼室内の空間の温度分布を測定対象としていたが、本発明は他の種類の空間内の温度分布を測定対象とすることも可能である。例えば、車両の室内空間の温度分布を測定対象とすることも可能である。この場合には、上述した種々の実施例の光学系を、測定対象の形状や構造に応じて必要に応じて適宜変更することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１実施例の空間温度計測装置１００の概念図。
【図２】模擬燃焼室２０の縦断面および温度計測に関連する各種の構成を示す説明図。
【図３】赤外光射出部５６と赤外光受光部６２の水平配置を示す説明図。
【図４】光源装置５０と受光装置６０の構成を示す説明図。
【図５】光の波長と吸収率と温度との関係を示すグラフ。
【図６】模擬燃焼室２０内の圧力とクランク角度との関係を示すグラフ。
【図７】第１実施例における温度計測実験の手順を示すフローチャート。
【図８】第２実施例における光学系の構成を示す説明図。
【図９】第３実施例における光学系の構成を示す説明図。
【図１０】ポリゴンミラー２１０によって走査される測定光Ｌmesの角度範囲αを示す説明図。
【符号の説明】
【００６９】
１２…コネクティングロッド
１４…クランク
１６…クランク回転用モータ（クランク駆動機構）
１８…クランク角センサ
２０…シリンダ
２０…模擬燃焼室
２２…透光性シリンダ
２４…ピストン
２６…シリンダヘッド
３０…光学系設置板
３２…密閉用シリンダ
３４…底板
３６…窒素導入口
４０…窒素ボンベ
５０…光源装置
５２…赤外光源
５４…光ファイバ
５６，５６ａ〜５６ｅ…赤外光射出部
６０…受光装置
６２…赤外光受光部
６３…受光素子
６４…光ファイバ
７０…コンピュータ
７２…試験実行部
７４…計測情報取得部
７６…計測情報処理部
８０…光学系配置板
８２…配置板移動機構
９２…吸気弁
９４…排気弁
９６…筒内圧センサ
９８…燃料噴射弁
１００…空間温度計測装置
１１０，１１２…レーザ
１１４…ハーフミラー
１１６…拡大光学系
１２０…赤外光処理回路
１２２…ハーフミラー
１２４…光学ミラー
１３２，１３４…光学フィルタ
１４２，１４４…光電子変換素子
１５０…Ａ−Ｄ変換器
１８０，１８２，１８４，１８６…ガスケット
２１０…ポリゴンミラー
２２０…赤外光射出部（基準光用）
２３０…赤外光受光部（基準光用）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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