(57)【要約】    【課題】  レーザドップラ流速計によって、筒内のガス流動分布を計測できるようにして、流動解析の精度を向上させる。    【解決手段】  波長変動型レーザ１が発生するレーザビームの波長を高速でλ１，λ２，λ３に切り換え、各波長λ１，λ２，λ３のレーザビームを同一の集光レンズ８で集光させる。前記集光レンズ８の集光位置、即ち、測定位置は、レーザビームの波長の違いによる屈折率の違いによって異なるので、各測定位置で発生する錯乱光をそれぞれに検出することで、各測定位置でのガス流速を個別に略同時に検出することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本のレーザビームを筒内の測定位置に集光させ、該測定位置に生じる干渉縞内を粒子が通過する際に発生する錯乱光を検出して、筒内におけるガス流動を計測する内燃機関のガス流動計測装置であって、
前記筒内の複数の測定位置それぞれで前記錯乱光に基づいて略同時にガス流動を計測して、前記筒内におけるガス流動分布を検出することを特徴とする内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項２】
波長の異なるレーザビームを発生させると共に、これら波長の異なるレーザビームを同一の集光レンズで集光させる構成とし、前記レーザビームの波長の違いによる集光位置の違いによって複数の測定位置を設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項３】
波長変動型レーザが発生するレーザビームの波長を周期的に高速で変動させて、異なる波長のレーザビームを時系列的に発生させることを特徴とする請求項２記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項４】
前記波長変動型レーザが発生するレーザビームの波長を高速で変動させると共に、複数の要求測定位置に対応する離散化した波長のレーザビームを前記集光レンズに選択的に入射させることを特徴とする請求項３記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項５】
前記波長変動型レーザが不要な波長のレーザビームを発生させる間で、前記波長変動型レーザをＯＦＦすることで、複数の要求測定位置に対応する離散化した波長のレーザビームを前記集光レンズに選択的に入射させることを特徴とする請求項４記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項６】
前記波長変動型レーザが不要な波長のレーザビームを発生させる間で、レーザビームを光路上で遮蔽することで、複数の要求測定位置に対応する離散化した波長のレーザビームを前記集光レンズに選択的に入射させることを特徴とする請求項４記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項７】
前記波長変動型レーザが発生するレーザビームを分光プリズムで分光して、複数の要求測定位置に対応する離散化した波長のレーザビームを選択的に前記集光レンズに入射させることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項８】
前記錯乱光を分光レンズによって複数の要求測定位置に対応する離散化した波長毎に異なる位置に集光し、前記離散化した波長毎に設けられるセンサによって前記錯乱光を検出することを特徴とする請求項３〜７のいずれか１つに記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【請求項９】
前記筒内におけるガス流動分布に基づいて、渦中心及び／又は壁近傍の最大ガス流速を求めることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関のガス流動計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のガス流動計測装置に関し、詳しくは、レーザドップラ流速計を用いて筒内におけるガス流動を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザドップラ流速計を用いて、内燃機関の筒内における空気の動きを検出し、該検出結果に基づいて、吸気ポート形状，ガス流動制御バルブ，ピストン冠面形状等を評価・選定することが行われていた（特許文献１，２参照）。
前記レーザドップラ流速計は、２本のレーザビームを筒内で集光させることで、間隔Ｌの干渉縞を筒内に生成し、筒内のガス流動に追従するトレーサ粒子が前記干渉縞を通過することで、周波数ｆのバースト信号を生じる錯乱光を発生させる。
【０００３】
そして、前記バースト信号から、ガス流速を
ガス流速＝Ｌ×ｆ
として求めるものである。
【特許文献１】特開平１１−０８３８８５号公報
【特許文献２】特開２００３−０５６３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、筒内のガス流動の大部分は縦に渦を巻いており、渦中心を挟んで上下では流れの方向が反対になる。
このため、ガス流速の計測を特定の一点で行わせると、流れ方向の反転を検出したときに、渦中心が計測位置を跨いで変化したのか、実際に流速の方向が反転したのかを判別することができず、以って、筒内におけるガス流動の解析精度が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、渦中心の変化と流速方向の反転とを区別して検出でき、以って、筒内におけるガス流動を精度良く解析できるガス流動計測装置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】
【０００６】
そのため、本発明では、２本のレーザビームを筒内の測定位置に集光させ、該測定位置に生じる干渉縞内を粒子が通過する際に発生する錯乱光を検出して、筒内におけるガス流動を計測する内燃機関のガス流動計測装置であって、前記筒内の複数の測定位置それぞれで前記錯乱光に基づいて略同時にガス流動を計測して、前記筒内におけるガス流動分布を検出する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
かかる構成によると、筒内の複数位置でレーザビームを集光させ、それぞれでの錯乱光に基づき複数位置でガス流動を略同時に検出する。
これにより、筒内におけるガス流動分布が求められ、渦中心を推定することが可能になるから、測定位置で流速方向の反転が検出されたときに、これが、渦中心の振動に因るものであるか、実際に流速方向が反転したかを判別でき、吸気ポート形状，ガス流動制御バルブ，ピストン冠面形状等の評価・選定を精度良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態において、内燃機関の筒内におけるガス流動を計測するためのガス流動計測装置を構成するレーザドップラ流速計を示す図である。
図１において、波長変動型レーザ１は、電圧又は電流制御によって、発生するレーザビームの波長が変化するレーザ装置である。
【０００９】
前記波長変動型レーザ１で発生したレーザビームは、分光プリズム２に入射し、レーザビームの波長の違いによる屈折率の違いによって、波長によって異なる光路で分光プリズム２から出射する。
分光プリズム２の出射側には、特定波長λ１，λ２，λ３のレーザビームを選択的に反射させて、それぞれのレーザビームをビーム分離装置３ａ，３ｂ，３ｃに入射させるべく、ミラー４ａ，４ｂ，４ｃが配置されている。
【００１０】
尚、前記波長λ１，λ２，λ３は、λ１＞λ２＞λ３である。
前記波長λ１のレーザビームは、ミラー４ａで反射してビーム分離装置３ａに入射し、前記ビーム分離装置３ａで２本のレーザビームに分離される。
前記ビーム分離装置３ａから出射される波長λ１である２本のレーザビームは、ハーフミラー５ａ，５ｂで反射することで、集光レンズ８の軸と平行な方向に進む。
【００１１】
前記波長λ１である２本のレーザビームは、集光レンズ８の中心軸と平行でかつ中心軸を挟んで等距離に対向する光路を進む。
そして、２本のレーザビームは、集光レンズ８によって屈折し、波長によって定まる焦点距離の位置で交叉する。
同様に、前記波長λ２のレーザビームは、ミラー４ｂで反射してビーム分離装置３ｂに入射し、前記ビーム分離装置３ｂで２本のレーザビームに分離された後、ハーフミラー６ａ，６ｂで反射される。
【００１２】
その後、波長λ２のレーザビームは、ハーフミラー５ａ，５ｂを透過することで、前記波長λ１のレーザビームと同じ光路を通って集光レンズ８に入射する。
前記波長λ２のレーザビームは、波長の違いによる屈折率の違いによって、前記波長λ１のレーザビームとは異なる焦点位置に集光される。
更に、前記波長λ３のレーザビームは、ミラー４ｃで反射してビーム分離装置３ｃに入射し、前記ビーム分離装置３ｃで２本のレーザビームに分離された後、ハーフミラー７ａ，７ｂで反射される。
【００１３】
その後、波長λ３のレーザビームは、ハーフミラー６ａ，６ｂ，５ａ，５ｂを透過することで、前記波長λ１のレーザビームと同じ光路を通って集光レンズ８に入射する。
前記波長λ３のレーザビームは、波長の違いによる屈折率の違いによって、前記波長λ１，λ２のレーザビームとは異なる焦点位置に集光される。
上記のようにして、波長λ１，λ２，λ３のレーザビームを同一の集光レンズ８で集光させることで、波長による屈折率の違いによって相互に異なる焦点位置で２本のレーザビームを交叉させる。
【００１４】
ここで、前記集光レンズ８は、内燃機関のシリンダヘッドに設置され、波長λ１，λ２，λ３のレーザビームが集光される位置が、筒内に直線的に並ぶようになっている。
２本のレーザビームが交叉すると、図２に示すように、その交叉位置に間隔Ｌの干渉縞が生成され、筒内のガス流動に追従するトレーサ粒子が、前記干渉縞を通過することで、周波数ｆのバースト信号を生じる錯乱光を発生させ、前記バースト信号からガス流速が、
ガス流速＝Ｌ×ｆ
として求められる。
【００１５】
前記錯乱光の検出は、図３に示すようにして行われる。
前記錯乱光は、前記集光レンズ８に入射することで平行光に変換されて進み、集光レンズ８の上側に配置される分光レンズ１０に入射する。
分光レンズ１０は、前記平行光が直角に入射する下側平面と該下側平面に対して斜めに交叉する上側平面とを有する三角プリズム部１０ａと、該三角プリズム部１０ａの上側平面上に設けられる凸レンズ部１０ｂとからなる。
【００１６】
そして、分光レンズ１０に入射した錯乱光は、波長による屈折率の違いによって周方向の異なる位置に集光される。
ここで、前記波長λ１，λ２，λ３のレーザビームによる錯乱光がそれぞれ集光する位置に、錯乱光を検出するセンサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが配置されており、波長λ１，λ２，λ３毎に異なる位置で発生した錯乱光が各センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃで検出される。
【００１７】
前記センサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃで検出される錯乱光から、個別にガス流速が検出されることになり、これらのガス流速は、前記波長λ１，λ２，λ３のレーザビームが集光する３つの測定位置それぞれにおけるガス流速となる。
従って、前記３つの測定位置それぞれにおけるガス流速として、筒内におけるガス流動分布が求められることになる。
【００１８】
前記波長変動型レーザ１は、発生するレーザビームの波長が、λ１→λ２→λ３→λ２→λ１→λ２・・・の順に高速で周期的に変化するように制御され、これによって略同時に３つの測定位置でのガス流速が求められるようになっている。
但し、波長を、λ１，λ２，λ３の３種類に切り換えるときに、これらの波長λ１，λ２，λ３の中間波長のレーザビームが発生し、これが計測誤差の原因となってしまう。
【００１９】
そこで、本実施形態では、要求される波長λ１，λ２，λ３となるタイミングだけ波長変動型レーザをＯＮさせるか、或いは、波長変動型レーザ１の光路上にチョッパー又はフィルタなどのレーザビームの通過・遮蔽を高速で切り換え制御できる遮蔽デバイス１２を介装し、要求される波長λ１，λ２，λ３となるタイミングだけレーザビームを通過させるようにしてある（図４参照）。
【００２０】
上記のようにして、ガス流動の計測に不要な波長のレーザビームを取り除くようにすれば、離散化された波長λ１，λ２，λ３のレーザビームに対応する、それぞれ異なる測定位置での錯乱光を精度良く検出することができる。
これにより、３つの測定位置でのガス流速計測が時系列的に高速かつ精度良く行え、筒内の異なる３箇所でのガス流速を略同時に検出することができる。
【００２１】
前記レーザビームの波長λ１，λ２，λ３の違いによる３つの測定位置は、図５に示すように、筒内の中心軸に沿って上下方向に３箇所並ぶように、前記集光レンズ８のシリンダヘッドに対する位置が設定され、該集光レンズ８の位置を基準に、要求の測定位置でガス流動が計測されるように、波長λ１，λ２，λ３が選定される。
筒内のガス流動の大部分は縦に渦を巻き、この渦はサイクル毎にばらつきを生じるが、ピストンが上昇してくると渦の形は燃焼室形状に応じてある程度固定される。しかし、歳差運動のため渦中心が振動する。
【００２２】
ここで、上記のようにして、筒内中心軸上の異なる複数の測定位置でガス流動をそれぞれ略同時に計測して、ガス流動分布が求まれば、各測定位置におけるガス流動の方向及び流速から渦中心を推定でき、渦中心が振動しても、渦流の向きを誤判断することがない。
更に、測定位置から壁面までの距離を予め求めておけば、壁面近傍でのガス流速、即ち、最大流速を推定でき、更には、渦エネルギーを推定することができる。
【００２３】
また、ガス流速は、ピストンが上昇することで増大するが、上死点に近づくと流れが乱れに変換されるので、流速の上昇はなくなってくる。
一般的には、ＢＴＤＣ６０deg前後から流れに乱れに変換し始め、ＢＴＤＣ３０deg前後からは流れが押さえつけられて、乱れも崩壊する。
そこで、特定のクランク角度（例えば点火時期）の流速を比較することで、内燃機関の燃焼度の重要パラメータである乱れ速度を判断でき、機関性能の良否を判断することが可能である。
【００２４】
また、前記乱れは、なるべく保存されることが好ましいので、乱れの崩壊がＢＴＤＣ３０degよりも後であれば、それだけ乱れが残って燃焼効率や燃焼安定性が高いと評価することが可能である。
上記のように、最大流速，渦エネルギー，乱れの崩壊の開始時期などを診断することで、燃焼効率や燃焼安定性の観点から、吸気ポート形状，ガス流動制御バルブ，ピストン冠面形状等を評価・選定することができる。
【００２５】
尚、上記実施形態では、測定位置を３点としたが、最低でも２点を測定位置とするものであれば良く、４点以上の測定点を設定することも可能である。
また、波長の異なるレーザビームを、それぞれ異なるレーザで発生させることも可能であるが、実施形態のように、波長変動型レーザを用いれば、高価なレーザを複数設ける必要がなく、また、レーザ位置の調整作業を簡略化でき、メンテナンスの頻度も低くできる。
【００２６】
更に、波長変動型レーザ１においてレーザビームの波長を変更する順番を、図４に示すパターンに限定するものではなく、例えば、λ１→λ３→λ２→λ１→・・・の順で波長を変動させることも可能である。
また、３点以上の測定位置での測定を可能に構成しつつ、測定要求に応じて２点のみでガス流速の測定を行わせるような使い方も可能である。
【００２７】
また、複数の測定位置が、筒内の横方向（ピストン冠面に平行な方向）に並ぶようにしたり、筒内に斜めに並ぶようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態のレーザドップラ流速計におけるレーザビーム集光系を示す図。
【図２】実施形態における干渉縞発生の様子を示す図。
【図３】実施形態のレーザドップラ流速計における錯乱光の検出系を示す図。
【図４】実施形態におけるレーザビームの発生制御の様子を示すタイミングチャート。
【図５】実施形態におけるレーザドップラ流速計の測定位置を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１…波長変動型レーザ、２…分光プリズム、３ａ〜３ｃ…ビーム分離装置、４ａ〜４ｃ…ミラー、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ…ハーフミラー、８…集光レンズ、１０…分光レンズ、１１ａ〜１１ｃ…センサ、１２…遮蔽デバイス
【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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