(57)【要約】【課題】気筒内における燃料の気化状態の評価指標を定め、延いては燃料の気化状態を定量的に評価することが可能な、内燃機関の燃料気化状態定量評価方法を提供する。【解決手段】気筒内の経時画像に関して、基準画像と基準画像を除く各経時画像との差分画像を作成し、各差分画像に関して、燃料と見做される輝度成分を抽出し、抽出された輝度成分の画素数の経時変化に基づき、気筒内に噴射された燃料の気化状態を評価する。このように、抽出された輝度成分の画素数の経時変化、換言すると、燃料の気化速度を、燃料の気化状態の評価指標と定めることにより、気筒内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価する方法であって、
ファイアリング運転する内燃機関の気筒内を高速度カメラにより撮影するステップと、
前記高速度カメラにより撮影された映像に基づき、気筒内の経時画像を作成するステップと、
前記気筒内の経時画像に関して、基準画像と前記基準画像を除く各経時画像との差分画像を作成するステップと、
各差分画像に関して、燃料と見做される輝度成分を抽出するステップと、
各差分画像に関して、抽出された前記輝度成分の画素数をカウントするステップと、
を含み、
抽出された前記輝度成分の画素数の経時変化に基づき、前記気筒内に噴射された燃料の気化状態を評価することを特徴とする内燃機関の燃料気化状態定量評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料気化状態定量評価方法に関するもので、気筒内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、直噴エンジンにおいては、直噴ディーゼルエンジンに匹敵する低燃費化及び低エミッション化が求められている。要求されるエンジン性能を満たすには、エンジンの気筒内で生じる種々の燃焼系物理現象の性状に基づき、エンジンを緻密に制御することが要求される。そこで、気筒内で生じる燃焼系物理現象を詳細に把握することが不可欠である。ところで、混合気形成過程における燃料の気化状態は、燃焼過程における燃焼の質に密接な関わりがあり、気筒内で生じる燃焼系物理現象を把握する上で、重要な事象である。そこで、多くの研究者により、混合気形成過程における燃料の気化状態を解明すべく種々のアプローチがなされている。
【０００３】
しかしながら、従来、気筒内における燃料の気化状態を定量的に示す指標がないため、気筒内における燃料の気化状態は、定性的な知見や、例えば、燃焼室周囲温度等、燃料の気化状態との相関が認められる事象に基づき評価されていた。例えば、特許文献１に記載された噴霧測定方法は、インジェクタから噴射された噴霧（燃料）を撮影し、撮影された画像の輝度分布に基づき噴霧の状態を測定するものであり、気筒内における燃料の気化状態そのものを定量的に表すものではない。前述のように、エンジン性能のさらなる向上には、気筒内における燃料の気化状態を詳細に把握することが不可欠であり、燃料の気化状態を定量的に評価する指標が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０２４５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、気筒内における燃料の気化状態の評価指標を定め、延いては燃料の気化状態を定量的に評価することが可能な、内燃機関の燃料気化状態定量評価方法を提供することを課題としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の内燃機関の燃料気化状態定量評価方法は、内燃機関の気筒内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価する方法であって、ファイアリング運転する内燃機関の気筒内を高速度カメラにより撮影するステップと、前記高速度カメラにより撮影された映像に基づき、気筒内の経時画像を作成するステップと、前記気筒内の経時画像に関して、基準画像と前記基準画像を除く各経時画像との差分画像を作成するステップと、各差分画像に関して、燃料と見做される輝度成分を抽出するステップと、各差分画像に関して、抽出された前記輝度成分の画素数をカウントするステップと、を含み、抽出された前記輝度成分の画素数の経時変化に基づき、前記気筒内に噴射された燃料の気化状態を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、気筒内の各差分画像から燃料と見做される輝度成分を抽出し、抽出された輝度成分の画素数の経時変化を、燃料気化状態の評価指標と定めることにより、当該評価指標に基づき、燃料の気化状態を定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態が適用されるシステムの概念図である。
【図２】本実施形態を概説するフローチャートである。
【図３】本実施形態の説明図であって、演算装置による画像処理を説明するフローチャートである。
【図４】本実施形態の説明図であって、演算装置による判定処理を説明するフローチャートである。
【図５】本実施形態の説明図であって、演算装置により作成された気筒内の経時画像及び差分画像を示す図である。
【図６】本実施形態の説明図であって、差分画像のマスク処理を説明する図である。
【図７】本実施形態の説明図であって、燃料と見做される輝度成分の画素数の経時変化を示す図表である。
【図８】本実施形態の説明図であって、積分値に基づく判定結果のモニタ表示の一例を示す図表である。
【図９】本実施形態の説明図であって、回帰モデルに基づく判定結果のモニタ表示の一例を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１は、本実施形態が適用されるシステム１の概念図である。この図に示されるように、システム１は、評価対象となるエンジン２（内燃機関）の気筒３内を観測するため、エンジン２の側壁に設けられたスコープ４と、スコープ４に接続され、気筒３内を撮影する高速度カメラ５と、高速度カメラ５から送信された映像信号を演算処理する演算装置１０と、演算装置１０に接続されたモニタ６と、を含む。なお、演算装置１０は、算術演算実行部、論理演算実行部、及び記憶部等を含むマイクロコンピュータにより構成される。
【００１０】
次に、図１のシステム１を使用して、エンジン２の気筒３内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価する方法を説明する。
本実施形態では、燃料の気化状態を定量的に評価する指標として、インジェクタ８により気筒３内に噴射された燃料の気化速度を採用する。また、本実施形態において、評価対象となるエンジン２は、直噴ガソリンエンジンである。
【００１１】
最初に、図２に示されるフローチャートに基づき、本実施形態を概説する。まず、ファイアリング運転するエンジン２の気筒３内を高速度カメラ５により撮影する（図２におけるステップ１）。なお、本実施形態において、高速度カメラ５のフレームレートは、５０００ｆｐｓ（frams per second）に設定される。また、高速度カメラ５のフレームレートは、５０００ｆｐｓ以上に設定することができる。
【００１２】
演算装置１０は、高速度カメラ５から送信された映像信号を受信し、受信した映像信号に予め定められた画像処理を施すとともに、当該画像処理結果に基づき、燃料の気化状態を定量的に評価する指標となる数値（以下「評価指標」と称する）を算出する（図２におけるステップ２）。次に、演算装置１０は、算出された評価指標を、パラメータとして予め定められた閾値と比較し、評価指標が閾値以下であるか否かに基づき、燃料の気化状態の良否を判定する（図２におけるステップ３）。ここで、評価指標が閾値以下であるとき、演算装置１０は、燃料の気化状態が、予め定められた条件に適合する、すなわち、良好であると判定し、判定結果をモニタ６に表示する（図２におけるステップ４）。他方、評価指標が閾値を超えるとき、演算装置１０は、燃料の気化状態が、予め定められた条件に適合しない、すなわち、燃料の気化状態が不良であると判定し、判定結果をモニタ６に表示する（図２におけるステップ４）。
【００１３】
続いて、図３に示されるフローチャートに基づき、演算装置１０による画像処理、すなわち、図２におけるステップ２の処理を説明する。
まず、演算装置１０は、高速度カメラ５の映像信号から、図４に示される気筒３内の経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）を作成する（図３におけるステップ１１）。次に、演算装置１０は、各経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）を、グレースケール画像へ変換する（図３におけるステップ１２）。ここでは、以後の説明の煩雑化を避けるため、グレースケール化された経時画像（グレースケール画像）を、そのまま経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）と称する。
【００１４】
次に、演算装置１０は、経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）に関して、基準画像（Ｔ０）と、基準画像（Ｔ０）を除く各経時画像（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）との、図５に示される差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）を作成する（図３におけるステップ１３）。なお、本実施形態における基準画像（Ｔ０）は、燃料が噴射される前の気筒３内の画像である。換言すると、差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）は、各経時画像（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）から、背景画像（Ｔ０）を引き算処理（差分処理）した画像である。
【００１５】
次に、演算装置１０は、得られた差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）の基準化を行い（図３におけるステップ１４）、以後の処理の妨げになる因子を、差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）から除去する。そして、演算装置１０は、後述の、図３におけるステップ１８で使用される、燃料と見做される輝度値（閾値）を定義する（図３におけるステップ１５）。次に、演算装置１０は、予め定められたマスキング用画像Ｍ０（図６参照）を使用して、差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）をマスク処理する（図３におけるステップ１６）。なお、差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）をマスク処理することにより、マスク画像（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、・・・、Ｍｎ）が得られる。ここでは、図６に、差分画像（Ｔｎ−Ｔ０）をマスク処理することで得られたマスク画像Ｍｎのみを示す。
【００１６】
次に、演算装置１０は、得られたマスク画像（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、・・・、Ｍｎ）に関して、時間的な解析範囲を定義する（図３におけるステップ１７）。本実施形態において、当該解析範囲は、燃料の噴射開始から噴射終了までの範囲（図７における解析範囲Ｒ）に設定される。次に、演算装置１０は、マスク画像（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、・・・、Ｍｎ）に関して、図３におけるステップ１５で定義された輝度値（閾値）に基づき、燃料と見做される輝度成分を抽出する（図３におけるステップ１８）。
【００１７】
次に、演算装置１０は、差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）のマスク画像（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、・・・、Ｍｎ）に関して、図３におけるステップ１８で抽出された輝度成分の画素数をカウントする（図３におけるステップ１９）。次に、演算装置１０は、図３におけるステップ１９でカウントされた画素数に基づき、燃料と見做される輝度成分の画素数を時系列的に整理して記憶する（図３におけるステップ２０）。そして、演算装置１０は、燃料と見做される輝度成分の画素数の経時変化に基づき、前述の評価指標、すなわち、燃料の気化状態（気化速度）を定量的に評価する指標となる数値を算出する。
【００１８】
（積分値に基づく判定）
ここで、当該評価指標を、燃料と見做される輝度成分の画素数の時系列データの積分値（以下「積分値」と称する）とするとき（図４におけるステップ２１のＹＥＳ）、演算装置１０は、燃料と見做される輝度成分の画素数の時系列データを、図３におけるステップ１７で定義された解析範囲Ｒ（図７参照）で積分する（図４におけるステップ２２）。算出された積分値（評価指標）は、予め定められた閾値と比較される（図２におけるステップ３）。
【００１９】
ここで、図８は、図２におけるステップ４に対応する図表であり、図４におけるステップ２２で算出された積分値を評価指標としたときの、モニタ６（図１参照）による判定結果の表示の一例を示すものである。図８に示されるように、モニタ６には、横軸をデータ番号、且つ縦軸を積分値とする座標系が表示される。当該座標系には、積分値の閾値を示す線分（Ｌｓ）が設定されている。そして、座標上には、各データ番号（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４）に対応する点がプロットされる。
【００２０】
図８を参照すると、データ番号（Ｎ１、Ｎ３）は、閾値を示す線分（Ｌｓ）よりも下側の領域にプロットされている。よって、データ番号（Ｎ１、Ｎ３）は、積分値（評価指標）が閾値以下である。このとき、データ番号（Ｎ１、Ｎ３）は、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合している、すなわち、燃料の気化状態が良好であると判定される。他方、データ番号（Ｎ２、Ｎ４）は、閾値を示す線分（Ｌｓ）よりも上側の領域にプロットされている。よって、データ番号（Ｎ２、Ｎ４）は、積分値（評価指標）が閾値（Ｌｓ）を上回る。このとき、データ番号（Ｎ２、Ｎ４）は、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合していない、すなわち、燃料の気化状態が不良であると判定される。
【００２１】
（回帰モデルに基づく判定）
一方、評価指標が積分値でないとき（図４におけるステップ２１のＮＯ）、演算装置１０は、燃料と見做される輝度成分の画素数の時系列データを、図３におけるステップ１７で定義された解析範囲Ｒ（図７参照）に関して回帰分析する（図４におけるステップ２３）。ここで、（式１）は、図４におけるステップ２３で得られる回帰モデルである。
ｙ＝ａｘ２＋ｂｘ＋ｃ    （式１）
ｙ：燃料と見做される輝度成分の画素数、ｘ：時間、ａ：２次の比例定数、ｂ：１次の比例定数、ｃ：定数
なお、（式１）におけるａ、ｂ、ｃは、演算装置１０の論理演算実行部に格納された回帰分析プログラムを実行することにより決定される。
【００２２】
次に、演算装置１０は、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の２次の比例定数（ａ）のみであるか否かを判定する（図４におけるステップ２４）。そして、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の２次の比例定数（ａ）のみであるとき（図４におけるステップ２４のＹＥＳ）、演算装置１０は、２次の比例定数（ａ）を、予め定められた対応する閾値（以下「２次側の閾値」と称する）と比較する（図４におけるステップ２５）。
【００２３】
他方、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の２次の比例定数（ａ）のみでないとき（図４におけるステップ２４のＮＯ）、演算装置１０は、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の１次の比例定数（ｂ）のみであるか否かを判定する（図４におけるステップ２６）。そして、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の１次の比例定数（ｂ）のみであるとき（図４におけるステップ２６のＹＥＳ）、演算装置１０は、１次の比例定数（ｂ）を、予め定められた対応する閾値（以下「１次側の閾値」と称する）と比較する（図４におけるステップ２７）。
【００２４】
また、評価指標が、ステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の２次の比例定数（ａ）のみでなく、且つ１次の比例定数（ｂ）のみでもないとき（図４におけるステップ２６のＮＯ）、演算装置１０は、２次の比例定数（ａ）を２次側の閾値と比較し、且つ１次の比例定数（ｂ）を１次側の閾値と比較する（図４におけるステップ２８）。
【００２５】
ここで、図９は、図２におけるステップ４に対応する図表であり、図４におけるステップ２３で得られた回帰モデル（式１）の比例定数（ａ）、（ｂ）を評価指標としたときの、モニタ６（図１参照）による判定結果の表示の一例を示すものである。図９に示されるように、モニタ６には、横軸を２次の比例定数（ａ）、且つ縦軸を１次の比例定数（ｂ）とする座標系が表示される。当該座標系には、２次側の閾値を示す線分（Ｌａ）、及び１次側の閾値を示す線分（Ｌｂ）が設定されている。また、座標上には、各データ番号（Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４）に対応する点がプロットされる。
【００２６】
図９を参照すると、データ番号（Ｎ１）は、２次側の閾値を示す線分（Ｌａ）よりも左側の領域であって、且つ１次側の閾値を示す線分（Ｌｂ）よりも下側の領域にプロットされている。このとき、データ番号（Ｎ１）は、２次の比例定数（ａ）が２次側の閾値以下であり、且つ１次の比例定数（ｂ）が１次側の閾値以下である。よって、データ番号（Ｎ１）は、２次の比例定数（ａ）と１次の比例定数（ｂ）との両方を評価指標とするとき（図４におけるステップ２６のＮＯ）、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合している、すなわち、燃料の気化状態が良好であると判定される。
【００２７】
他方、データ番号（Ｎ２）は、２次側の閾値を示す線分（Ｌａ）よりも左側の領域であって、且つ１次側の閾値を示す線分（Ｌｂ）よりも上側の領域にプロットされている。このとき、データ番号（Ｎ２）は、２次の比例定数（ａ）が２次側の閾値以下であり、且つ１次の比例定数（ｂ）が１次側の閾値を上回る。よって、データ番号（Ｎ２）は、２次の比例定数（ａ）のみを評価指標とするとき（図４におけるステップ２４のＹＥＳ）、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合している、すなわち、燃料の気化状態が良好であると判定される。
【００２８】
また、データ番号（Ｎ３）は、２次側の閾値を示す線分（Ｌａ）よりも右側の領域であって、且つ１次側の閾値を示す線分（Ｌｂ）よりも下側の領域にプロットされている。このとき、データ番号（Ｎ３）は、２次の比例定数（ａ）が２次側の閾値を上回り、且つ１次の比例定数（ｂ）が１次側の閾値以下である。よって、データ番号（Ｎ３）は、１次の比例定数（ｂ）のみを評価指標とするとき（図４におけるステップ２６のＹＥＳ）、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合している、すなわち、燃料の気化状態が良好であると判定される。
【００２９】
他方、データ番号（Ｎ４）は、２次側の閾値を示す線分（Ｌａ）よりも右側の領域であって、且つ１次側の閾値を示す線分（Ｌｂ）よりも上側の領域にプロットされている。このとき、データ番号（Ｎ４）は、２次の比例定数（ａ）が２次側の閾値を上回り、且つ１次の比例定数（ｂ）が１次側の閾値を上回る。よって、データ番号（Ｎ４）は、２次の比例定数（ａ）と１次の比例定数（ｂ）との両方を評価指標とするとき、２次の比例定数（ａ）のみを評価指標とするとき、或いは１次の比例定数（ｂ）のみを評価指標とするとき、のいずれの場合であっても、燃料の気化速度が、予め定められた条件に適合していない、すなわち、燃料の気化状態が不良であると判定される。
【００３０】
なお、本実施形態においては、積分値に基づく判定、及び回帰モデルに基づく判定の両判定において、評価指標が対応する閾値以下であるか否かが判定される。ここで、評価指標が閾値以下であるとの事象は、気筒３内に噴射された燃料が、予め定められた気化速度（閾値）よりも高い速度で気化していることを表す。そして、燃料の気化状態（気化速度）を判定材料としたのは、エンジン２の性能を向上させる上で、点火が容易である気化した燃料を、スパークプラグ７（図１参照）の近傍に速やかに配置することが、重要事項であることに基づく。
【００３１】
この実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、ファイアリング運転するエンジン２の気筒３内を高速度カメラ５により撮影し、高速度カメラ５により撮影された映像に基づき、気筒３内の経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）を作成し、気筒３内の経時画像（Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）に関して、基準画像（Ｔ０）と、基準画像（Ｔ０）を除く各経時画像（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ）との差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）を作成し、各差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）に関して、燃料と見做される輝度成分を抽出し、各差分画像（Ｔ１−Ｔ０、Ｔ２−Ｔ０、Ｔ３−Ｔ０、・・・、Ｔｎ−Ｔ０）に関して、抽出された前記輝度成分の画素数をカウントし、抽出された輝度成分の画素数の経時変化に基づき、気筒３内に噴射された燃料の気化状態を評価する、換言すると、気筒３内に噴射された燃料の気化速度を指標として、気筒３内に噴射された燃料の気化状態を評価する。
【００３２】
このように、本実施形態は、燃料の気化速度を、燃料の気化状態の評価指標と定めることにより、気筒３内に噴射された燃料の気化状態を定量的に評価することができる。これにより、気筒３内で生じる燃焼系物理現象をより詳細に把握することが可能であり、エンジン２性能のさらなる向上に貢献することができる。
【符号の説明】
【００３３】
２  エンジン（内燃機関）、３  気筒、５  高速度カメラ
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図５】
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【図６】
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