(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の既燃ガスの一部を内部ＥＧＲあるいは外部ＥＧＲとして筒内に循環させる内燃機関において前記既燃ガスの挙動を計測する既燃ガス挙動計測方法であって、
蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を燃焼させて、前記燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させ、前記燃焼生成物を含む燃焼後混合気が発する蛍光強度を計測することにより既燃ガスの挙動を計測することを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【請求項２】
請求項１に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
紫外領域、可視領域または赤外領域にある波長λ１の励起光に対する、前記燃焼前混合気のモル蛍光強度をＩ１、前記燃焼後混合気のモル蛍光強度をＩ２としたときに、Ｉ２／Ｉ１≧１０であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【請求項３】
請求項２に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記励起光の波長λ１が１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記蛍光発光前駆物質が下記式（１）で表される化合物であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【化１】
0004487924.tif 000008
（式中、ｘは２〜３０の整数、ｙは６〜６２の整数、ｚは１〜５の整数である。ただし、
環状構造を有する化合物は除く）
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記蛍光発光前駆物質が下記式（２）で表される化合物であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【化２】
0004487924.tif 000009
（式中、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立して水素原子、飽和非環式炭化水素基及び不飽和非環式炭化水素基から選択され、Ｒ１及びＲ２の炭素数の合計が２〜３０であり、ｗは１〜５の整数である。）
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記蛍光発光前駆物質が下記式（３）あるいは（４）で表される化合物であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【化３】
0004487924.tif 000010
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記蛍光を発する燃焼生成物がＳＯ２であることを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の既燃ガス挙動計測方法であって、
前記蛍光強度をレーザ誘起蛍光法により計測することを特徴とする既燃ガス挙動計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の既燃ガスの一部を内部ＥＧＲあるいは外部ＥＧＲとして筒内に循環させる内燃機関において既燃ガスの挙動を計測する既燃ガス挙動計測方法である。
【背景技術】
【０００２】
従来より内燃機関において、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量低減を目的に、内燃機関の排ガス（既燃ガス）の一部を排気還流管を介して吸気通路に循環させ、シリンダ内に還流させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気ガス再循環）装置が広く知られている。これは、既燃ガスを一度エンジンの外部である排気還流管に取り出すため、外部ＥＧＲと呼ばれている。外部ＥＧＲ装置においては、ＥＧＲガス流量は、排気還流管に介装されたＥＧＲ制御弁の角度を可変とすることにより制御されている。
【０００３】
また最近では、上記外部ＥＧＲ装置とは別に、ＨＣＣＩ（予混合圧縮自己着火燃焼）の燃焼率制御等を目的として、吸気弁、または排気弁、あるいはその両方に可変動弁機構を装着し、既燃ガスの一部を吸気管に吹き戻して次のサイクルで吸気弁より再吸引する、または排気管に出た既燃ガスの一部を排気弁から再吸入する、さらには排気行程途中で排気弁を閉じることで既燃ガスの一部を排気させない、等の動作により直接既燃ガスの一部をシリンダ内に還流させる装置も使われている。これは、既燃ガスをエンジン内部で還流させるため、内部ＥＧＲと呼ばれている。内部ＥＧＲ装置においては、ＥＧＲガス流量は可変動弁系の弁開閉時期を変化させることにより制御されている。
【０００４】
このようなＥＧＲ装置においては、機関に吸入される全てのガス（新気とＥＧＲガスとの混合ガス）の流量に対するＥＧＲガス流量の比であるＥＧＲ率を求め、このＥＧＲ率に基づいてＥＧＲガス流量を制御するようになっている。さらに、燃焼を精密に制御するために、筒内に意図的にＥＧＲの分布をつける試みも行われている。従って、ＥＧＲガス流量の制御等の機関制御において、シリンダ内におけるＥＧＲガス流量やＥＧＲガスの２次元分布を精度良く計測することは極めて重要である。
【０００５】
内燃機関から排出されるＥＧＲガスを計測するためには、炭化水素系燃料からの燃焼生成物（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ等）を計測すれば可能であり、それらの計測について検討されてきた。また、燃焼ガスのトレーサとなる物質を添加し、それを計測することによってＥＧＲガス分布を計測することがなされてきた。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、多光子吸収を用いて燃焼生成物であるＨ２Ｏを計測して、ＥＧＲ濃度を測定する方法が記載されている。また、非特許文献２には、ラマン散乱法を用いて燃焼生成物であるＨ２Ｏ、ＣＯ２あるいはＯ２の濃度等の計測を行うことによりＥＧＲ濃度を測定する方法が記載されている。これらは原理的には内部ＥＧＲ、外部ＥＧＲ共計測可能な手法といえる。
【０００７】
また、外部ＥＧＲの計測に関して、非特許文献３には、吸気管よりトレーサとしてＳＯ２を添加し、ＳＯ２が蛍光を発することを利用した既燃ガス挙動を計測する方法が記載されている。
【０００８】
また、図１４に示すように、吸気バルブ１６０及び排気バルブ１８０を備える内燃機関１００の筒内からの排気ガスは排気管１４０より排気され、一部はＥＧＲライン２００を通り吸気管１２０に戻されるが、この排気から吸気の間で蛍光剤添加装置２２０から外部ＥＧＲトレーサとして蛍光剤を混入させることにより、外部ＥＧＲ挙動の計測をすることが知られている。また、特許文献１には、ＥＧＲ制御弁を介して吸気通路に流入するＥＧＲガスの流量を、ＥＧＲガスとＥＧＲ通路間の管摩擦分を考慮することにより、精度良く外部ＥＧＲ量を推定することが記載されている。
【０００９】
さらに、特許文献２には、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲガス量の推定値を算出することが記載されている。
【００１０】
【非特許文献１】ヨハンソン（Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ）ら、「ソサエティ・オブ・オートモーティブ・エンジニアズ（Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）論文」、１９９５年、９５２４６３番、ｐｐ．１２９−１３９
【非特許文献２】チャン（Ｚｈａｎｇ）ら、「ＣＯＭＯＤＩＡ」、２００４年、ｐｐ．１−７
【非特許文献３】ジック（Ｓｉｃｋ）ら、「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ（アプライド・フィジックス）Ｂ」、２００２年、７４巻、ｐｐ．４６１−４６３
【特許文献１】特開２００４−１５６４５８号公報
【特許文献２】特開２００４−２５１１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、非特許文献１のような多光子吸収によるＨ２Ｏ−ＬＩＦ（レーザ誘起蛍光）法では、信号強度が弱く、エンジン筒内のＥＧＲガス濃度の２次元分布計測は困難である。Ｈ２Ｏ濃度を増加させれば信号強度は増すことになるが、エンジン筒内の計測ではＨ２Ｏ濃度は任意に決められないため、本手法でのＥＧＲガス濃度の２次元分布計測は困難である。また、非特許文献２のようなラマン散乱法による計測では、やはり信号強度が弱く、点計測の測定になるため、２次元のＥＧＲガス挙動を捉えることは困難である。また、信号強度が微弱であるため、高精度の計測が困難である。
【００１２】
また、非特許文献３のような吸気に既燃ガストレーサとして非燃焼性物質であるＳＯ２を添加する方法では、既燃ガス領域と未燃ガス領域共にＳＯ２ガスが含まれることになり、既燃ガスと未燃ガスとの分離が不可能であり、ＥＧＲガス単独の挙動を観察することができない。
【００１３】
また、図１４のようなＥＧＲライン２００を通るＥＧＲガス（外部ＥＧＲガス）に燃焼性の外部ＥＧＲトレーサを加え、その挙動を筒内計測する計測方法では、外部ＥＧＲトレーサは燃焼で消失するので既燃ガス領域は発光しないため、外部ＥＧＲガスのみの挙動観察は可能であるが、ＥＧＲラインを通らずに筒内に直接還流する内部ＥＧＲガス挙動計測を行うことができない。また、特許文献１の方法も外部ＥＧＲガス量を推定する方法であり、既燃ガス挙動、ＥＧＲガス挙動を直接計測していない。
【００１４】
さらに、特許文献２の方法は、内部ＥＧＲ量を推定する手段であり、ＥＧＲガス量そのものを推定することはできるが、既燃ガス挙動、ＥＧＲガス挙動を直接計測していない。
【００１５】
このように従来の筒内ＥＧＲガス挙動計測では、内部ＥＧＲまで計測できる手法においては点計測に限定され２次元のＥＧＲガス挙動の計測は困難であり、２次元のＥＧＲガス挙動の計測が可能な手法では対象は外部ＥＧＲに限られ、内部ＥＧＲガスと新気との明確な区別が困難であった。
【００１６】
本発明は、ＥＧＲガスと新気との明確な区別をすることができ、内部ＥＧＲガス、外部ＥＧＲガス共に計測が可能でしかも２次元計測が可能な既燃ガス挙動計測方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、内燃機関の既燃ガスの一部を内部ＥＧＲあるいは外部ＥＧＲとして筒内に循環させる内燃機関において前記既燃ガスの挙動を計測する既燃ガス挙動計測方法であって、蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を燃焼させて、前記燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させ、前記燃焼生成物を含む燃焼後混合気が発する蛍光強度を計測することにより既燃ガスの挙動を計測する。
【００１８】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、紫外領域、可視領域または赤外領域にある波長λ１の励起光に対する、前記燃焼前混合気のモル蛍光強度をＩ１、前記燃焼後混合気のモル蛍光強度をＩ２としたときに、Ｉ２／Ｉ１≧１０であることが好ましい。
【００１９】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記励起光の波長λ１が１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００２０】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記蛍光発光前駆物質が下記式（１）で表される化合物であることが好ましい。
【化１】
0004487924.tif 000002
（式中、ｘは２〜３０の整数、ｙは６〜６２の整数、ｚは１〜５の整数である。ただし、
環状構造を有する化合物は除く）
【００２１】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記蛍光発光前駆物質が下記式（２）で表される化合物であることが好ましい。
【化２】
0004487924.tif 000003
（式中、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立して水素原子、飽和非環式炭化水素基及び不飽和非環式炭化水素基から選択され、Ｒ１及びＲ２の炭素数の合計が２〜３０であり、ｗは１〜５の整数である。）
【００２２】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記蛍光発光前駆物質が下記式（３）あるいは（４）で表される化合物であることが好ましい。
【化３】
0004487924.tif 000004
【００２３】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記蛍光を発する燃焼生成物がＳＯ２であることが好ましい。
【００２４】
また、前記既燃ガス挙動計測方法において、前記蛍光強度をレーザ誘起蛍光法により計測することが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、内燃機関の既燃ガスの一部を内部ＥＧＲあるいは外部ＥＧＲとして筒内に循環させる内燃機関における既燃ガスの挙動を計測する既燃ガス挙動計測方法において、蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を燃焼させて、燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させ、燃焼生成物を含む燃焼後混合気が発する蛍光強度を計測する蛍光を計測することにより、ＥＧＲガスと新気との明確な区別をすることができ、内部ＥＧＲ、外部ＥＧＲ共に計測が可能でしかも２次元計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２７】
本発明の実施形態に係る既燃ガス挙動計測装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。既燃ガス挙動計測装置１は、レーザシート光発生装置１０（図１においては図示せず）と、可視化エンジン１２と、ＩＣＣＤカメラ１４とを備える。可視化エンジン１２は、透明シリンダ１６及び透明ピストン１８を備える。また、レーザシート光発生装置１０の一例の概略を図２に示すが、レーザシート光発生装置１０は、レーザ発振器２０と、ミラー２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇと、ハーフミラー２４と、シリンドリカルレンズ２６ａ，２６ｂとを備える。
【００２８】
図２のレーザシート光発生装置１０において、レーザ発振器２０から発振されるレーザ光２８は、ミラー２２ａ，２２ｂを経て、ハーフミラー２４及びミラー２２ｃにより２方向に分けられた後、一方はミラー２２ｄを経てシリンドリカルレンズ２６ａにより、もう一方はミラー２２ｆを経てシリンドリカルレンズ２６ｂによりそれぞれシート状にされる。そのレーザシート３０ａ，３０ｂがそれぞれミラー２２ｅ，２２ｇを経て図１の可視化エンジン１２の両側から対向入射となるように透明シリンダ１６内に導かれる。一方、可視化エンジン１２内部は、透明ピストン１８に加え、ミラー３２により方向が転換され、出射窓３４から観察できるようになっており、ＵＶレンズ３６にフィルタ３８を装着したＩＣＣＤカメラ１４により可視化エンジン１２内部で発生する蛍光の強度が測定される。既燃ガス挙動計測装置１においては可視化エンジン１２のサイド（横方向からのレーザ入射）を可視化エンジン１２の下方向からＩＣＣＤカメラ１４で観察する。
【００２９】
また、本発明の実施形態に係る既燃ガス挙動計測装置の他の例の概略を図３に示す。既燃ガス挙動計測装置３において、図２のレーザシート光発生装置１０と同様にしてシート状にしたレーザシート３０ｃが図３の可視化エンジン１２の下方向から透明シリンダ１６内に導かれる。一方、ＵＶレンズ３６にフィルタ３８を装着したＩＣＣＤカメラ１４により可視化エンジン１２内部で発生する蛍光の強度は透明シリンダ１６を介して測定される。既燃ガス挙動計測装置３においては可視化エンジン１２のボトム（下方向からのレーザ入射）を可視化エンジン１２の横方向からＩＣＣＤカメラ１４で観察する。
【００３０】
本実施形態に係る既燃ガス挙動計測方法では、蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を可視化エンジン１２の透明シリンダ１６内部で燃焼させて、燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させる。そして、この燃焼生成物を含む燃焼後混合気が発する蛍光の強度をＩＣＣＤカメラ１４により計測する。シリンドリカルレンズ２６ａ，２６ｂにより２次元のシート状にされたレーザシート３０ａ，３０ｂあるいは３０ｃを用いることにより、２次元計測が可能となる。
【００３１】
ベース燃料としては、試験対象内燃機関で使用される燃料に性状（沸点、平均分子量等）が近い燃料が好ましい。また、入射レーザ波長に対して明確な蛍光を発しない燃料が好ましく、飽和炭化水素やアルコール系燃料等を用いることができる。環状構造を持つ炭化水素や不飽和炭化水素の一部、あるいはケトン基、アルデヒド基を持つ燃料はこの条件に合致しない。
【００３２】
蛍光発光前駆物質としては、気体もしくは液体で存在し、入射レーザ波長に対して強い蛍光を発せず、ベース燃料の燃焼に伴って当該物質も反応し、燃焼前に比べ十分高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させる必要がある。ただし、この燃焼生成物が液体状態あるいは粒子状状態になると、透明シリンダ１６及び透明ピストン１８を汚損し計測が困難となるため、内燃機関作動ガスの温度範囲全域において気体状態である必要がある。以上の観点から蛍光を発する燃焼生成物はＳＯ２が好ましい。このため、蛍光発光前駆物質としては、蛍光を発する燃焼生成物としてＳＯ２が発生するように、硫黄原子を含有する化合物であることが好ましい。さらに、取り扱いにおける安全上の問題から、蛍光発光前駆物質としては毒物及び劇物取締法で指定される物質を除くことが好ましい。
【００３３】
硫黄原子を含有する蛍光発光前駆物質としては、例えば、下記式（１）で表される化合物が挙げられる。
【化４】
0004487924.tif 000005
なお、式（１）中、ｘは２〜３０の整数、ｙは６〜６２の整数、ｚは１〜５の整数であり、ｘは２〜２２の整数が好ましく、ｙは６〜４６の整数が好ましく、ｚは１もしくは２であることが好ましい。ｘが３０を越えると、蛍光発光前駆物質の分子量が大きくなり、エンジンの燃焼条件において燃焼が十分に起こらない場合がある。また、ｚが５を越えると、蛍光発光前駆物質に含まれる硫黄原子の量が多くなり、燃焼前の状態で蛍光を発する場合がある。また、上記式（１）で表される化合物のうち、環状構造を有する化合物は除く。蛍光発光前駆物質が環状構造を有すると、燃焼前の状態で蛍光を発する場合がある。
【００３４】
また、硫黄原子を含有する蛍光発光前駆物質としては下記式（２）で表される化合物が挙げられる。
【化５】
0004487924.tif 000006
なお、式（２）中、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ独立して水素原子、飽和非環式炭化水素基及び不飽和非環式炭化水素基から選択され、Ｒ１及びＲ２の炭素数の合計が２〜３０であり、ｗは１〜５の整数であり、Ｒ１及びＲ２の炭素数の合計は５〜２２であることが好ましく、ｗは１もしくは２であることが好ましい。Ｒ１及びＲ２の炭素数の合計が３０を越えると、蛍光発光前駆物質の分子量が大きくなり、エンジンの燃焼条件において燃焼が十分に起こらない場合がある。また、ｗが５を越えると、蛍光発光前駆物質に含まれる硫黄原子の量が多くなり、燃焼前の状態で蛍光を発する場合がある。また、蛍光発光前駆物質が環状構造を有すると、燃焼前の状態で蛍光を発する場合がある。
【００３５】
これらの化合物のうち、硫黄原子の数が少なく、沸点が１５０〜２００℃と自動車用燃料燃焼の沸点範囲にあり、毒物、劇物ではない等の点から下記式（３）で示される化合物（Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ  ｓｕｌｆｉｄｅ：Ｃ８Ｈ１８Ｓ）あるいは（４）で表される化合物（Ｄｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ  ｓｕｌｆｉｄｅ：Ｃ８Ｈ１８Ｓ２）が好ましい。
【化６】
0004487924.tif 000007
【００３６】
本実施形態においては、ベース燃料に蛍光発光前駆物質を含有させて燃焼させるが、ベース燃料に対する蛍光発光前駆物質の含有量は５０重量％以下であることが好ましく、２０重量％以下であることがより好ましく、計測に対して十分な精度の蛍光強度が得られる含有量にすることが好ましい。ベース燃料に対する蛍光発光前駆物質の含有量が５０重量％を越えると、内燃機関の燃焼特性がベース燃料のみの場合に比べて著しく変化する場合がある。
【００３７】
蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を燃焼させて、燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させ、その蛍光を計測するが、使用する励起光は、紫外領域、可視領域または赤外領域の波長であればよく特に制限はないが、酸素による吸収の影響が少なく、かつ高い蛍光強度が期待できるという点から励起光の波長は１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の紫外領域であることが好ましい。励起波長は使用する蛍光発光前駆物質に応じて決めればよい。
【００３８】
また、紫外領域、可視領域または赤外領域にある波長λ１の励起光に対する、ベース燃料、蛍光発光前駆物質及び空気を含む燃焼前混合気のモル蛍光強度をＩ１、蛍光を発する燃焼生成物及び空気を含む燃焼後混合気のモル蛍光強度をＩ２としたときに、所定の温度、圧力においてＩ２／Ｉ１≧１０であることが好ましく、Ｉ２／Ｉ１≧３０であることがより好ましく、Ｉ２／Ｉ１≧５０であることが更に好ましい。Ｉ２／Ｉ１＜１０であると、測定精度が低下する場合がある。また、ベース燃料、蛍光発光前駆物質及び空気を含む燃焼前混合気は、精度良く測定を行うために蛍光をほとんど発しないことが好ましい。すなわち、蛍光発光前駆物質を含むベース燃料（混合燃料）は蛍光をほとんど発しないことが好ましい。
【００３９】
燃焼後の燃焼生成物により発生する蛍光を測定する方法としては、化学発光分析法、ラマン散乱法、ＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法、レーザ誘起蛍光（ＬＩＦ：Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法等が挙げられるが、安定して強い光強度が得られ、現象の２次元分布計測が可能なレーザ誘起蛍光法が好ましい。本実施形態においては、燃焼生成物がＳＯ２であり、ＳＯ２からのＬＩＦ光を計測して、エンジン筒内のＥＧＲガス挙動を計測することが好ましい。
【００４０】
本実施形態に係る既燃ガス挙動計測方法によれば、内燃機関の既燃ガスの一部を内部ＥＧＲあるいは外部ＥＧＲとして筒内に循環させる内燃機関における既燃ガスの挙動を計測する既燃ガス挙動計測方法において、蛍光発光前駆物質及びベース燃料を含む燃焼前混合気を燃焼させて、燃焼前混合気より高い強度の蛍光を発する燃焼生成物を生成させ、燃焼生成物を含む燃焼後混合気が発する蛍光強度を計測することにより、ＥＧＲガスと新気との明確な区別をすることができ、内部ＥＧＲガス、外部ＥＧＲガス共に計測が可能でしかも２次元計測が可能である。すなわち、燃焼前に蛍光をほとんど発しない燃料が、燃焼によって得られる燃焼生成物になると強い蛍光を発することにより、エンジン筒内の新気と既燃ガスとの明確な分離が可能となり、ＥＧＲガス挙動をエンジン筒内で計測することができる。このように、エンジン筒内のＥＧＲ挙動計測が可能となるため、その計測結果に基づきＥＧＲガス分布等を制御することでＥＧＲの効果を高めた燃焼を実現することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４２】
（実施例１）
＜蛍光発光前駆物質（化合物（３））を含む混合燃料が蛍光をほとんど発しないことの確認＞
まず、蛍光発光前駆物質を含むベース燃料（混合燃料）が蛍光をほとんど発しないことの確認を行った。蛍光発光前駆物質として、前記式（３）で示されるＤｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ  ｓｕｌｆｉｄｅ（化合物（３）、Ｃ８Ｈ１８Ｓ、分子量：１４６．３、沸点：１４７〜１５１℃）を使用し、ベース燃料としてはイソオクタン（Ｃ８Ｈ１８）を使用し、イソオクタンに化合物（３）を１０重量％添加したものを混合燃料とした。励起波長は２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）及び２６６ｎｍ（ＹＡＧレーザ第４高調波）の２種類を用いた。なお、イソオクタンは紫外光に対して無蛍光であり、２４８ｎｍ及び２６６ｎｍ励起に対して蛍光を発しない物質である。また、強度の基準として、無蛍光であるイソオクタン単体での蛍光測定を行い、蛍光強度の基準とした。
【００４３】
使用した実験装置を図４に示す。レーザ発振器５０から出射されたレーザ光５２を、ミラー５４ａを経て、シリンドリカルレンズ５６により幅１０ｍｍ、厚さ２ｍｍのシート状にし、ハーフミラー５７により２方向に分けた後、一方はミラー５４ｂ、石英板６０ａを経て、もう一方は石英板６０ｂを経て、温度、圧力制御可能な定容容器５８に導いた。定容容器５８のレーザ入射窓６２ａ，６２ｂ，６２ｃ、及び観察窓６４は石英ガラスでできており、紫外光を透過させる。蛍光強度の測定はＵＶレンズ６６にフィルタ６８を装着したＩＣＣＤカメラ７０によって行った。また、入射レーザの強度変動はパワーメータ７２を用いてモニターし、測定蛍光強度を補正した。もう一方の石英板６０ａを透過した光はビームトラッパー７３によりトラップされる。
【００４４】
定容容器５８（３６７．９ｍＬ）内を８０℃に保ち、化合物（３）の濃度が０．０６７ｍｏｌ／ｍ３となるように定容容器５８内に注入して蛍光強度を測定した。励起波長２４８ｎｍのときの測定結果を図５に、励起波長２６６ｎｍのときの測定結果を図６に示す。イソオクタン単体のＬＩＦ光強度はノイズレベルと考えられ、その強度を基準として結果を示した。励起波長２４８ｎｍ、２６６ｎｍ共に、ノイズレベルとほぼ同等の信号強度であった。これより化合物（３）が蛍光発光前駆物質として使用可能であることがわかった。
【００４５】
（実施例２）
＜蛍光発光前駆物質（化合物（４））を含む混合燃料が蛍光をほとんど発しないことの確認＞
化合物（３）の代わりに、前記式（４）で示されるＤｉ−ｔｅｒｔ−ｂｕｔｙｌ  ｄｉｓｕｌｆｉｄｅ（化合物（４）、Ｃ８Ｈ１８Ｓ２、分子量：１７８．３６、沸点：２００℃）を使用し、化合物（４）の濃度が０．０５５ｍｏｌ／ｍ３となるように定容容器５８内に注入した以外は、実施例１と同様にして蛍光強度を測定した。実施例１と濃度を変えたのは、注入量（体積）を揃えたためである。励起波長２４８ｎｍのときの測定結果を図５に、励起波長２６６ｎｍのときの測定結果を図６に示す。励起波長２４８ｎｍ、２６６ｎｍ共に、ノイズレベルよりやや高いレベルの信号強度であった。化合物（３）よりやや高いレベルの信号強度であったが、化合物（４）が蛍光発光前駆物質として十分使用可能であることがわかった。
【００４６】
（実施例３）
＜既燃領域及び未燃領域から得られる蛍光強度の測定＞
可視化エンジンを用いて既燃領域及び未燃領域から得られる蛍光強度を化合物（３）を用いて測定した。励起波長は２４８ｎｍを用いた。
【００４７】
実験装置は図１、図２に示す装置を使用した。図２のレーザシート光発生装置１０において、レーザ発振器２０から発振されるレーザ光２８を、ミラー２２ａ，２２ｂを経て、ハーフミラー２４及びミラー２２ｃにより２方向に分けた後、シリンドリカルレンズ２６ａ，２６ｂによりそれぞれ幅６０ｍｍ、厚さ２ｍｍのシート状にした。そのレーザシート３０ａ，３０ｂを図１の可視化エンジン１２の前後（Ｆｒ側、Ｒｒ側）両側から対向入射となるように透明シリンダ１６内に導いた（横断面の観察）。レーザシート３０ａ，３０ｂが入射する透明シリンダ１６及び透明ピストン１８は紫外光を通す石英ガラス製とした。燃焼室（透明ピストン１８）内の配置とレーザシート３０ａ，３０ｂ、観察範囲の概略（透明ピストン１８側（下側）から見た図）を図７に示す。本実施例ではピストンφ８６ｍｍに対して、観察視野をφ５８ｍｍとした。一方、図１のように可視化エンジン１２内部は、ミラー３２により方向が転換され、出射窓３４から観察できるようになっており、実施例１と同様のＵＶレンズ３６にフィルタ３８を装着したＩＣＣＤカメラ１４により可視化エンジン１２内部で発生する蛍光の強度を測定した。ＩＣＣＤカメラ１４による撮影により観察された既燃ガス領域及び未燃ガス領域の蛍光強度分布を図８に示す。蛍光発光前駆物質を含む未燃領域からの蛍光がほとんど観察されないのに対し、燃焼によりＳＯ２が生じた既燃領域からはＳＯ２の強い蛍光が観察された（図８）。
【００４８】
ピストン圧縮による着火前の未燃領域の混合気温度は７００Ｋ程度である。また、既燃領域にはＣＯ２，Ｈ２Ｏ，ＳＯ２等が存在し、火炎温度は２０００Ｋ以上であると考えられる。通常の火災伝播では筒内で圧力は一定であるため、既燃領域と未燃領域の密度比はおおよそ３倍程度あると考えられる。火炎内の未燃領域、既燃領域２つの領域の強度比は、既燃領域、未燃領域の温度差に起因する密度差を考慮し、さらに燃焼前後の各化学種のモル数を考慮すると、Ｉ２／Ｉ１＝約６０であった。ここで、Ｉ１は、化合物（３）、イソオクタン及び空気を含む燃焼前混合気のモル蛍光強度、Ｉ２は、燃焼生成物（ＳＯ２，ＣＯ２，Ｈ２Ｏ等を含む）及び空気を含む燃焼後混合気のモル蛍光強度である。
【００４９】
（実施例４）
＜吸気行程初期における既燃ガス挙動の計測＞
図１の実験装置を用いて、吸気行程初期に筒内に残留している既燃ガス中に新気が流入する様子を横断面で捉えたのが図９である（観察領域の概略は図７に示す）。ＳＯ２を含む既燃ガスが強い蛍光を発しているのに対し、蛍光発光前駆物質を含む新気からは蛍光がほとんど観察されず、既燃ガス挙動が捉えられている。同様な現象を図３で示される装置を使用して縦断面で捉えたのが図１１である（観察範囲等は図１０に示す）。ＳＯ２を含む既燃ガスが強い蛍光を発しているのに対し、蛍光発光前駆物質を含む新気からは蛍光がほとんど観察されず、既燃ガス挙動を捉えている。なお、図１０において、８２は吸気管、８４は排気管、８６は吸気バルブ、８８は排気バルブ、９０は燃焼室を示す。
【００５０】
（実施例５）
＜圧縮行程におけるエンジン筒内での内部ＥＧＲ挙動の計測＞
エンジン筒内での内部ＥＧＲ挙動計測を圧縮行程において行った。本計測に用いた可視化用単筒エンジンにはバルブオーバーラップが存在し、燃焼過程で生成された既燃ガスが内部ＥＧＲとして筒内に存在する。また、バルブオーバーラップ量を増加させると、内部ＥＧＲ量は増加する。圧縮行程後半の−６０°ＡＴＤＣ，−３０°ＡＴＤＣにおける観察領域内のＳＯ２のＬＩＦ画像を図１２に示す。図１３は図１２に示される画像輝度情報（強度）をグラフにしたものである。バルブオーバーラップ量が小さい場合の−６０°ＡＴＤＣでのＬＩＦ強度で強度の正規化を行った。内部ＥＧＲ量の違いをＬＩＦ強度の違いによって捉えることができ、内部ＥＧＲ挙動が圧縮行程後半においても計測できた。
【００５１】
以上のように、化合物（３）は励起波長２４８ｎｍに対して蛍光をほとんど発せず、それが燃焼生成物ＳＯ２になると、同波長である２４８ｎｍ励起に対して強い蛍光を発し、その蛍光を観察することによってＥＧＲ挙動が計測可能であることが検証できた。
【００５２】
今回の実験系では、２つある吸気弁（Ｆｒ、Ｒｒ）の動作タイミングは等しくしたが、例えば、フロント（Ｆｒ）側、リア（Ｒｒ）側吸気バルブの動作タイミングを変化させると内部ＥＧＲ量がフロント、リア側で変化するような燃焼系が可能である。点火直前までこのような分布がどの程度維持されるかを本手法で計測することが可能である。この例のように、エンジン筒内で内部ＥＧＲの分布を意図的に制御することでエンジンの性能向上を行うことが可能である。ＥＧＲガス分布が燃焼に与える影響を、更には必要なＥＧＲの分布を得るにはどのような燃焼系を構築すれば良いか等を詳細に調べるためには筒内ＥＧＲガス分布を知ることが不可欠であり、この分布計測が可能な本方法を用い、上記に示したエンジン性能開発の効率を飛躍的に高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態に係る既燃ガス挙動計測装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザシート光発生装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係る既燃ガス挙動計測装置の他の例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例１，２において混合燃料の蛍光強度計測に使用した装置を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例１，２におけるＳ化合物の蛍光強度（励起波長２４８ｎｍ）を示す図である。
【図６】本発明の実施例１，２におけるＳ化合物の蛍光強度（励起波長２６６ｎｍ）を示す図である。
【図７】本発明の実施例３，４における燃焼室内の配置とレーザシート、観察範囲（横断面の観察）の概略を示す図である。
【図８】本発明の実施例３において観察された火炎伝播途中の既燃ガス領域及び未燃ガス領域の蛍光強度分布（横断面の観察）を示す図である。
【図９】本発明の実施例４において観察された吸入行程初期の既燃ガス領域及び未燃ガス領域の蛍光強度分布（横断面の観察）を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４における燃焼室内の配置とレーザシート、観察範囲（縦断面の観察）の概略を示す図である。
【図１１】本発明の実施例４において観察された吸入行程初期の既燃ガス領域及び未燃ガス領域の蛍光強度分布（縦断面の観察）を示す図である。
【図１２】本発明の実施例５において観察された蛍光強度分布を示す図である。
【図１３】本発明の実施例５における内部ＥＧＲ量の違いによるＬＩＦ光強度の変化を示す図である。
【図１４】従来のＥＧＲ計測（外部ＥＧＲ計測）の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００５４】
１，３  既燃ガス挙動計測装置、１０  レーザシート光発生装置、１２  可視化エンジン、１４，７０  ＩＣＣＤカメラ、１６  透明シリンダ、１８  透明ピストン、２０，５０  レーザ発振器、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，５４ａ，５４ｂ  ミラー、２４，５７  ハーフミラー、２６ａ，２６ｂ，５６  シリンドリカルレンズ、２８，５２  レーザ光、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  レーザシート、３２  ミラー、３４  出射窓、３６，６６  ＵＶレンズ、３８，６８  フィルタ、５８  定容容器、６０ａ，６０ｂ  石英板、６２ａ，６２ｂ，６２ｃ  レーザ入射窓、６４  観察窓、７２  パワーメータ、７３  ビームトラッパー、８２，１２０  吸気管、８４，１４０  排気管、８６，１６０  吸気バルブ、８８，１８０  排気バルブ、９０  燃焼室、１００  内燃機関、２００  ＥＧＲライン、２２０  蛍光剤添加装置。
【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１０】
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【図１３】
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【図１４】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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