(57)【要約】【課題】温度や圧力によらず、雰囲気ガス中の酸素濃度を２次元的に測定することができる方法を提供する。【解決手段】複数の種類の蛍光剤を混合した雰囲気ガスに対し、各蛍光剤の励起波長に対応したレーザ光を照射したときに該蛍光剤により発せられる蛍光の強度をそれぞれ測定する工程と、前記測定されたそれぞれの蛍光の強度比に基づいて前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求める工程と、を含むことを特徴とする酸素濃度の測定方法。好ましくは、蛍光剤としてアセトンとトルエンを用い、波長２６６ｎｍのレーザ光の照射により得られるアセトンの蛍光と、波長２４８ｎｍのレーザ光の照射により得られるトルエンの蛍光の強度比に基づいて、前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求める。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の種類の蛍光剤を混合した雰囲気ガスに対し、各蛍光剤の励起波長に対応したレーザ光を照射したときに該蛍光剤により発せられる蛍光の強度をそれぞれ測定する工程と、
前記測定されたそれぞれの蛍光の強度比に基づいて前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求める工程と、を含むことを特徴とする酸素濃度の測定方法。
【請求項２】
２種類の蛍光剤を用いることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度の測定方法。
【請求項３】
前記蛍光剤として、ケトン類と芳香族炭化水素を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸素濃度の測定方法。
【請求項４】
前記蛍光剤としてアセトンとトルエンを用い、波長２６６ｎｍのレーザ光の照射により得られるアセトンの蛍光と、波長２４８ｎｍのレーザ光の照射により得られるトルエンの蛍光の強度比に基づいて、前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求めることを特徴とする請求項２に記載の酸素濃度の測定方法。
【請求項５】
前記レーザ光として、シート状のレーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の酸素濃度の測定方法。
【請求項６】
可視化エンジンを用い、該エンジン筒内の雰囲気ガス中の酸素濃度を測定することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の酸素濃度の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ誘起蛍光（ＬＩＦ：Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）法を利用した酸素濃度の測定方法に関し、例えば、内燃機関の燃焼室内における酸素の２次元分布を非接触で計測することが可能な酸素濃度の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特に自動車用エンジンの排ガスの酸素濃度を測定する場合、一般的に、空燃比センサによって酸素濃度の計測が行われる。これは触媒の浄化率に大きな影響を与える酸素濃度の測定を行うためであり、燃焼後のエンジンからの排ガスの平均的な酸素濃度を測定している。
【０００３】
一方、内燃機関の燃焼では、ディーゼル燃焼における煤やＮＯｘの生成には雰囲気場の酸素濃度が大きく影響する。例えば、排ガスの一部を再循環させるＥＧＲを利用したエンジンではエンジン筒内での酸素濃度の分布が生じやすい。従って、そのような雰囲気場での酸素濃度の分布の計測が可能となれば、その分布を有効に利用した燃焼法の開発に貢献することができ、エンジン性能（出力、排気、燃費等）の向上に寄与することができる。また、酸素濃度が計測できることにより、燃料濃度と酸素濃度の比、すなわち真の当量比を計測できるようになる。
【０００４】
エンジン筒内の酸素濃度を測定する方法として、レーザ誘起蛍光法を用いる方法が提案されている。例えば、石英ガラス製で内部が見えるエンジン（可視化エンジン）に、トレーサーとして２種類の蛍光剤（３−ペンタノン、トルエン）を混合したイソオクタン燃料を供給して回転させ、外側からＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）を照射する。このようなレーザ光の照射によって前記２種類の蛍光剤が励起されて蛍光を発し、それらの強度比から酸素濃度の計測を行う方法が提案されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、この手法では計測場の温度が分からなければ酸素濃度を算出することができないという問題がある。例えば、計測場の温度分布を均一と仮定して酸素濃度を算出することが考えられるが、温度の勾配が大きな場では計測誤差が相当大きくなってしまう。
【０００６】
また、入射窓と観察窓を設けたチャンバー内に排ガスを導入し、チャンバー内の排ガスに特定波長のレーザ光を照射して励起させ、それにより生じた蛍光を観察窓からＣＣＤカメラにより測定し、その蛍光の強度に基づいてＣＯ２の濃度を測定する方法が提案されている（特許文献１参照）。内燃機関のような燃焼場では、ＣＯ２濃度を計測することによってその増加分を酸素濃度の減少分と対応させることで酸素濃度を算出することができる。
しかし、この方法では、酸素濃度を直接測定しているのではなく、また空間的には点計測となり、２次元計測は困難である。
【０００７】
【非特許文献１】Doug Friedenand Volker Sick,“A two-tracer LIF strategy for quantitative oxygen imaging in engines applied to study the influence of skip-firing on in-cylinder oxygen contents of an SIDI engine”SAEpaper.2003-01-1114
【特許文献１】特開平９−３０４２８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、温度や圧力によらず、雰囲気ガス中の酸素濃度を２次元的に測定することができる方法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】
【０００９】
上記目的を解決するために、以下の発明が提供される。
＜１＞  複数の種類の蛍光剤を混合した雰囲気ガスに対し、各蛍光剤の励起波長に対応したレーザ光を照射したときに該蛍光剤により発せられる蛍光の強度をそれぞれ測定する工程と、
前記測定されたそれぞれの蛍光の強度比に基づいて前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求める工程と、を含むことを特徴とする酸素濃度の測定方法。
【００１０】
このように複数の種類の蛍光剤と、各蛍光剤に応じた複数の異なる励起波長のレーザ光を用いれば、蛍光画像の強度比が、雰囲気ガスの温度及び圧力に依らず、酸素濃度のみの関数となり得る。従って、各蛍光剤の蛍光強度比に基づいて２次元的に酸素濃度を測定することができ、精度の高い酸素濃度分布の測定が可能となる。
【００１１】
＜２＞  ２種類の蛍光剤を用いることを特徴とする＜１＞に記載の酸素濃度の測定方法。
蛍光剤とレーザ光をそれぞれ２種類とすれば、蛍光強度比と酸素濃度との相関関係を簡便に求めることができる。
【００１２】
＜３＞  前記蛍光剤として、ケトン類と芳香族炭化水素を用いることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の酸素濃度の測定方法。
蛍光剤としてケトン類と芳香族炭化水素を用いれば、各蛍光剤の蛍光強度比と酸素濃度との間で良好な相関関係を得ることができる。
【００１３】
＜４＞  前記蛍光剤としてアセトンとトルエンを用い、波長２６６ｎｍのレーザ光の照射により得られるアセトンの蛍光と、波長２４８ｎｍのレーザ光の照射により得られるトルエンの蛍光の強度比に基づいて、前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求めることを特徴とする＜２＞に記載の酸素濃度の測定方法。
前記複数の種類の蛍光剤としてアセトンとトルエンを用い、それぞれ特定波長の励起光により蛍光を生じさせれば、ぞれぞれの蛍光強度を別々に測定して強度比を求め易く、また、酸素濃度との良好な相関関係を確実に得ることができる。
【００１４】
＜５＞  前記レーザ光として、シート状のレーザ光を照射することを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の酸素濃度の測定方法。
シート状のレーザ光（シートレーザ）を照射すれば面内で蛍光剤を励起させることができ、酸素濃度の２次元分布を簡便に得ることができる。
【００１５】
＜６＞  可視化エンジンを用い、該エンジン筒内の雰囲気ガス中の酸素濃度を測定することを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の酸素濃度の測定方法。
自動車やオートバイのエンジンに模した可視化エンジンを用いてそのエンジン筒内の酸素濃度を測定すれば、例えば得られた酸素濃度分布を有効に利用した燃焼法の開発に大いに資することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、温度や圧力によらず、雰囲気ガス中の酸素濃度を２次元的に測定することができる方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨に沿って各種改変することができる。
【００１８】
本発明者らは、ＬＩＦ法により蛍光強度比が酸素濃度に対する関数となるような複数の種類の蛍光剤と励起波長との組合せにより、雰囲気ガスの温度や圧力によらず、酸素濃度を２次元的に測定することができることを見出した。
非特許文献１に開示されている１波長励起では、温度及び圧力の影響のうち、圧力の影響がない組み合わせしか選べなかったのに対し、複数の励起波長、例えば２波長励起を行うことによって温度及び圧力の影響を受け難い組み合わせを選ぶことが可能となる。本発明者らは、実際にそのような組み合わせを見出し、本発明の完成に至った。
すなわち、本発明に係る酸素濃度の測定方法は、
複数の種類の蛍光剤を混合した雰囲気ガスに対し、各蛍光剤の励起波長に対応したレーザ光を照射したときに該蛍光剤により発せられる蛍光の強度をそれぞれ測定する工程と、
前記測定されたそれぞれの蛍光の強度比に基づいて前記雰囲気ガス中の酸素濃度を求める工程と、を含み、このような方法によって、温度や圧力によらず、雰囲気ガス中の特定の位置における酸素濃度を測定することができる。
【００１９】
＜蛍光剤の強度比と酸素濃度との相関関係の測定（検量曲線の作成）＞
まず、酸素濃度が既知の雰囲気ガスに複数の種類の蛍光剤（蛍光物質）を混合し、各蛍光剤の励起波長に対応したレーザ光を照射したときに該蛍光剤により発せられる蛍光の強度をそれぞれ測定し、各蛍光剤による蛍光の強度比と酸素濃度との相関を求める。
蛍光剤としては、それぞれ異なる波長のレーザ光の照射によって励起されて蛍光を発し、対応する励起波長のレーザ光を照射したときに、少なくとも一部の波長域において他の蛍光剤による蛍光の影響をほとんど受けずにその蛍光強度を測定することができるものを使用する。蛍光剤の種類は、各蛍光剤の蛍光強度比が酸素濃度との相関関係が取れれば特に限定されないが、２種類の蛍光剤と、各蛍光剤に応じた２種類の励起レーザ光を用いることが好ましい。それぞれ２種類の蛍光剤と励起レーザ光を用いれば、作業が複雑とならず、蛍光強度比と酸素濃度との相関関係を簡便に求めることができる。なお、各蛍光剤の蛍光強度を測定する際、他の蛍光剤による蛍光の影響をできるだけ小さくするため、各蛍光剤の発光スペクトルのピーク波長が大きく離れているものがより好ましい。
具体的な蛍光剤としては、酸素濃度と蛍光強度比との間で良好な相関関係が取れ易い点から、アセトン、３−ペンタノンなどのケトン類と、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素との組み合わせが好ましく、特にアセトンとトルエンを用い、励起波長がそれぞれ２６６ｎｍ、２４８ｎｍのレーザ光を照射して各蛍光強度を測定することが好ましい。
【００２０】
本発明に係る酸素濃度の測定方法を実施するための装置は特に限定されないが、例えば、図１に示すような構成の装置を用いることができる。この装置１０は、雰囲気ガスが導入される円筒形の定容容器１２、レーザ光照射手段１４、ＩＣＣＤカメラ３０、レーザ光Ｌを定容容器１２に導くためのミラー１６ａ，１６ｂ、シリンドリカルレンズ１８、ハーフミラー２０，石英板２２ａ，２２ｂなどを備えている。このような構成の装置１０を用い、定容容器１２内に、酸素を含む雰囲気ガスと、蛍光剤（トレーサー）としてアセトン又はトルエンを導入し、それぞれ特定波長のレーザ光Ｌ（励起波長：２６６ｎｍ、２４８ｎｍ）を照射した際に得られるアセトン又はトルエンの蛍光強度の温度及び圧力依存性の測定を行う。
【００２１】
定容容器１２はガス導入口とヒータ（いずれも不図示）を備え、所定のガスを導入して体積を一定に保ったまま、温度（例えば常温（室温）〜２５０℃）及び圧力（例えば１．０ＭＰａ以下）を任意に制御可能となっている。また、容器１２には両側からレーザ光Ｌを対向入射するための入射窓２６ａ，２６ｂと、レーザ光Ｌの照射により容器１２内で発生する蛍光をＩＣＣＤカメラ３０によって観察するための観察窓２８ａ，２８ｂが設けられている。入射窓２６ａ，２６ｂと観察窓２８ａ，２８ｂはそれぞれ石英ガラスで作られており、紫外線を透過させることができる。また、容器１２の形状は円筒形に限定されず、任意の形状とすることができ、例えば直方体であってもよい。容器１２の容積も任意であり、適宜設定すればよい。
【００２２】
レーザ光照射手段１４は、蛍光剤を励起するための特定波長（励起波長）のレーザ光Ｌを発する。レーザ光照射手段１４から発せられたレーザ光Ｌは、ミラーによって９０°の方向に全反射された後、シリンドリカルレンズ１８によってシート状に広がってハーフミラー２０に進む。ハーフミラー２０ではレーザ光Ｌの略半分が透過し、石英板２２ａによって反射されて入射窓２６ａを通じて容器１２内に入射する。一方、シリンドリカルレンズ１８を経てシート状に成形されたレーザ光Ｌの略半分はハーフミラー２０によって９０°の方向に反射され、さらにミラー１６ｂと石英板２２ｂによって順次反射され、入射窓２６ｂを通じて容器１２内に入射する。このような構成により、容器１２内にレーザ光Ｌを対向入射させることができる。なお、ハーフミラー２０から石英板２２ａへ進むレーザ光Ｌの延長線上にはパワーメータ２４が配置されており、レーザパワーの変動は、石英板２２ａを透過したレーザ光Ｌをパワーメータ２４で測定することによってモニタすることができ、レーザパワーのショット間の変動による蛍光強度の補正を行うことが可能である。
【００２３】
ＩＣＣＤカメラ３０には、紫外（ＵＶ）レンズ３２が取り付けられており、レンズ３２の前には特定波長域の光を選択的に透過するフィルタ３４が装着されている。フィルタ３４は、使用する蛍光剤の発光スペクトルに応じて選択すればよい。これにより、容器１２内で蛍光剤から発せられた光（蛍光）は、フィルタ３４を透過した波長域の光を選択的に観察することができる。
【００２４】
雰囲気ガスとしては、例えば、空気、一酸化炭素２％（空気希釈）、二酸化炭素１５％（空気希釈）、及び混合ガス（ＣＯ＝０．３０％、ＣＯ２＝７．０９％、Ｏ２＝１０．７％）（窒素希釈）をそれぞれ用いる。なお、上記組成の混合ガスは、内燃機関におけるストイキ燃焼の排ガスを、ＥＧＲ率５０％の条件でエンジン筒内に導入した際の雰囲気組成を模擬したガスであり、酸素濃度が低い場合を想定したガスである。
そして、上記のいずれか一種の酸素含有雰囲気ガスを容器１２内に導入するとともに、蛍光剤としてアセトンを導入してレーザ光励起波長２６６ｎｍのレーザ照射を行った場合の蛍光強度（Ｉ２６６）と、蛍光剤としてトルエンを導入してレーザ光励起波長２４８ｎｍのレーザ照射を行った場合の蛍光強度（Ｉ２４８）をそれぞれ測定し、それらの強度比（Ｉ２６６／Ｉ２４８）を算出する。
【００２５】
−蛍光剤としてアセトンを用いた温度及び圧力依存性の測定−
図２は、アセトンとトルエンのそれぞれの励起波長と蛍光波長（蛍光スペクトル）を示している。図２に見られるように、励起波長２６６ｎｍのレーザ光照射によるアセトンの蛍光は３６０ｎｍ以下にも発光があるが、アセトン自体が３４０ｎｍ以下の光を吸収する特性があり、この波長域の光はＩＣＣＤカメラ３０との間に存在するアセトンに吸収されてしまうおそれがある。そこで、蛍光剤としてアセトンを用いる場合、ＩＣＣＤカメラ３０のＵＶレンズ３２の前には、例えば３５０〜５００ｎｍの波長を透過するフィルタ３４を装着する。３５０〜５００ｎｍの波長を透過するフィルタ３４を装着することで、アセトン自体による吸収帯をほぼ避けて精度良く蛍光強度を評価することができる。
【００２６】
具体的には、定容容器（３６７．９ｃｃ）１２内を所定の温度（例えば１００℃）に保って、酸素を所定の濃度含有するガスを満たしておき、アセトンを１００μｌ（３．７ｍｏｌ／ｍ３）注入する。一方、レーザ光照射手段１４によりＹＡＧレーザ第４高調波から得られる２６６ｎｍのレーザ光Ｌを容器１２内に導き、容器１２内に注入されたアセトンによる蛍光強度（Ｉ２６６）をＩＣＣＤカメラ３０によって計測する。ここで、レーザ光強度は蛍光剤の光分解等の影響が問題とならないよう５ｍＪ以下／パルスとし、容器１２両側から対向入射させる。
【００２７】
上記のようにして初期状態でレーザ光Ｌを照射した際の蛍光強度（Ｉ２６６）を測定し、その後、初期状態で導入したものと同じ酸素濃度のガスを容器１２内に加えて圧力を増加させ、０．１〜１．０ＭＰａの範囲で圧力依存性を調べる。また、容器１２内の温度を、１００℃（初期温度）、１５０℃、２００℃、２５０℃と順次変化させて蛍光強度を測定することによって温度依存性を調べる。
前記した酸素濃度が異なる４種類の雰囲気ガスについて、それぞれ上記のような手順により蛍光強度を測定することにより温度依存性及び圧力依存性を調べ、また、蛍光強度の雰囲気ガスによる影響も調べる。
【００２８】
−蛍光剤としてトルエンを用いた温度及び圧力依存性の測定−
図１の装置において、励起波長をＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍに変更し、蛍光剤をトルエンに変え、その蛍光強度（Ｉ２４８）の温度依存性及び圧力依存性を測定する。トルエンの注入量は２０μｌ（０．５１ｍｏｌ／ｍ３）である。図２に見られるように、２４８ｎｍの励起波長によるトルエンの発光スペクトルは、３００ｎｍ以下にピークがあるが、トルエン自体が３００ｎｍ以下の光を吸収する特性を有するため、トルエンの励起により発生した蛍光とＩＣＣＤカメラ３０との間に存在する他のトルエンによって吸収されてしまうおそれがある。そのため、ＩＣＣＤカメラ３０のＵＶレンズ３２の前には例えば３００〜３５０ｎｍの波長を透過するフィルタ３４を装着し、３００〜３５０ｎｍの蛍光波長の強度を測定する。上記以外は実施例１と同じ条件で圧力、温度、及び雰囲気ガスをそれぞれ変えて測定を行い、温度依存性、圧力依存性、及び雰囲気ガスによる蛍光強度への影響を調べる。
【００２９】
−蛍光強度比と酸素濃度の相関関係の解析−
上記の各測定結果より、アセトンとトルエンとの蛍光強度比（Ｉ２６６／Ｉ２４８）を基準となる１点の温度及び圧力（例えば、１００℃、０．１ＭＰａ、雰囲気ガス：空気）で正規化し、横軸に酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］、縦軸に強度比を取ると、図３に示すようなグラフ（検量線）が得られる。強度比は雰囲気の温度、圧力、組成に関わらずほぼ１本のライン上に並び、蛍光強度比が酸素濃度の関数となる。従って、酸素濃度が未知の雰囲気ガスについて温度及び圧力が不明であっても、蛍光強度比に基づき、この検量線（相関関係）から雰囲気ガス中の酸素濃度［ｍｏｌ／ｍ３］を求めることができ、酸素濃度の絶対値［ｍｏｌ／ｍ３］を計測することが可能となる。
【００３０】
＜可視化エンジンを用いたエンジン筒内の酸素濃度の測定＞
次に、いわゆる可視化エンジンを用い、駆動時におけるエンジン筒内での酸素濃度を測定する方法について説明する。
図４〜図７は、本実施形態において用いる装置の構成をそれぞれ概略的に示している。図４及び図６に示される可視化エンジン４０は単気筒エンジンを模したものであり、シリンダ４２とピストン４４がいずれも透明な石英ガラスで作られている。また、この可視化エンジン４０は、吸気系、排気系、点火装置、燃料供給装置等（いずれも不図示）も備えており、通常の自動車用エンジンと同様に数千回転で駆動させることができる。石英ピストン４４の下方にはミラー４６が設けられており、このミラー４６を介して石英シリンダ４２内の蛍光を観察したり（図４参照）、シリンダ４２の軸方向にレーザ光Ｌを照射することができる（図６参照）。
【００３１】
可視化エンジン４０の外側の所定の位置にはハーフミラー４８及び２台のＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂが設けられており、シリンダ４２内部の様子はハーフミラー４８等を介して各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂによって撮影することができる。各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂにはそれぞれＵＶレンズ３２ａ，３２ｂが取り付けられ、各レンズ３２ａ，３２ｂの前には透過波長が異なるＵＶフィルタ３４ａ，３４ｂがそれぞれ装着されている。例えば、ＩＣＣＤカメラ３０ａには、図２中に示されるような３００〜３５０ｎｍの波長域の光を選択的に透過するフィルタＡを用いることにより、励起光及びアセトンの蛍光による影響を抑制してトルエンによる蛍光強度を選択的に測定することができる。一方、ＩＣＣＤカメラ３０ｂには、図２中に示されるような３５０〜５００ｎｍの波長域の光を選択的に透過させるフィルタＢを用いることにより、励起光及びトルエンの蛍光による影響を抑制して、アセトンによる蛍光強度を選択的に測定することができる。
【００３２】
−横断面における測定−
石英シリンダ４２の横断面における酸素濃度を測定する時、例えば図４に示すように可視化エンジン４０の前後方向（石英シリンダ４２の軸に垂直な方向）からレーザ光Ｌを対向入射させる。図５は、上記のようにレーザ光Ｌを照射する場合の光学系５０の構成を概略的に示している。それぞれ異なる特定波長（励起波長：２４８ｎｍ、２６６ｎｍ）のレーザ光Ｌを放つ２台のレーザ光照射手段１４ａ，１４ｂと、各レーザ光照射手段１４ａ，１４ｂから放たれたレーザ光Ｌを、可視化エンジン４０の石英シリンダ４２の両側に導いて対向入射させるためのミラー５２ａ〜５２ｇ、ハーフミラー５４、及びシリンドリカルレンズ５６ａ，５６ｂがそれぞれ所定の位置に配置されている。各レーザ光照射手段１４ａ，１４ｂに対するミラー５２ａを移動させることにより、可視化エンジン４０に入射させるレーザ光Ｌを選択することができる。また、ミラー５２ａがレーザ光照射手段１４ｂからの励起光を反射し、レーザ光照射手段１４ａからの励起光を透過させるダイクロイックミラーであってもよい。この場合、ミラーの移動は行わなくてよい。
【００３３】
ミラー５２ａにより選択されたレーザ光Ｌは、ミラー５２ｂにより反射された後、ハーフミラー５４によってそれぞれ半分の強度となって２方向に分離される。分離されたレーザ光Ｌは、それぞれミラー５２ｄ，５２ｅによってそれぞれ可視化エンジン４０の両側に対向配置されたシリンドリカルレンズ５６ａ，５６ｂへと導かれる。各レーザ光Ｌはシリンドリカルレンズ５６ａ，５６ｂによってシート状に成形されてシリンダ４２内に導かれる。このようにレーザ光Ｌをシート状にして入射させることによって、シート状のレーザ光（レーザシート）Ｌが通過する横断面内の２次元酸素濃度分布の測定が可能となる。なお、シリンダ４２内にレーザ光Ｌを入射させるための光学系は図５に示した構成に限定されず、例えば一方向から入射させてもよいが、レーザ光Ｌをエンジン４０の両側から対向入射させることにより、蛍光剤によるレーザ光Ｌの吸収の影響を小さく抑えることができ、より高精度の測定が可能となる。
【００３４】
上記のような可視化エンジン４０及び光学系５０を用い、蛍光剤のアセトンに対する励起波長２６６ｎｍのレーザ照射によって得られる蛍光分布を計測する。ベース燃料には紫外光（励起光）の照射により蛍光を発しないイソオクタンを用い、蛍光剤のアセトン及びトルエンは予め燃料に添加して混合しておく。蛍光剤の添加量は、例えば信号強度（Ｓ／Ｎ）に応じて調整することができる。
ここで、励起光（波長２６６ｎｍ）によって燃料中のアセトン及びトルエンの両方が蛍光を発するが、これらの蛍光の発光波長域はフィルタ３４ａ，３４ｂにより分離され、アセトンによる蛍光強度は、３５０〜５００ｎｍの波長域の光を選択的に透過するフィルタＢが装着されたＩＣＣＤカメラ３０ｂにより測定することができる。
【００３５】
一方、蛍光剤のトルエンに対する励起波長２４８ｎｍのレーザ照射によって得られる蛍光分布を計測する。この場合も燃料中のアセトン及びトルエンの両方が蛍光を発するが、３００〜３５０ｎｍの波長域の光を選択的に透過するフィルタＡが装着されたＩＣＣＤカメラ３０ａにより、トルエンによる蛍光強度を測定することができる。
【００３６】
なお、上記２種類のレーザ光Ｌを同時に入射させると、蛍光の分離ができなくなるため、少なくとも蛍光寿命時間以上の時間差（数百ｎｓ程度）をおいて入射させる。例えば５００ｎｓの時間差で上記２種類の波長のレーザ光Ｌを入射させた場合、この時間差によるエンジンのクランク角のズレは、仮にエンジン回転数が６０００ｒｐｍと非常に高速であっても、その時間差はクランク角で０．０１８°であり、大きな問題とはならない。すなわち、数百ｎｓ程度の間隔で２種類のレーザ光Ｌを交互に入射してそれぞれの蛍光強度を測定すれば、シリンダ４２内の雰囲気ガス中の酸素濃度分布がほぼ同じ状態においてアセトンとトルエンの各蛍光強度を測定したこととなる。このとき、ミラー５２ａの出し入れを行う時間はないので、先に述べたダイクロイックミラーを用いる。時間平均であればミラーの出し入れを行うことができる。
【００３７】
それぞれの励起波長によりシリンダ４２内で生じた蛍光は、石英ピストン４４の下方のミラー４６により反射された後、ハーフミラー４８にて２つの方向にそれぞれ半分の強度となって分離され、２台のＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂによって撮影される。前記したようにフィルタＡが装着されているＩＣＣＤカメラ３０ａではトルエンの蛍光が撮影され、フィルタＢが装着されているＩＣＣＤカメラ３０ｂではアセトンの蛍光が撮影されることになる。なお、ハーフミラー４８に代えて、特定の波長域の光を透過し、他の波長域の光を反射する特性を有するダイクロイックミラーを用いてもよい。例えば、３５０ｎｍを境にして、それよりも小さい波長域の光は透過し、それよりも大きい波長域の光は反射するダイクロイックミラーを用いれば、各蛍光剤による蛍光を効率的に分離してそれぞれＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂで撮影することができ、測定精度の向上を図ることができる。
【００３８】
上記のようにして各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂにより、ほぼ同時に（例えば数百ｎｓ間隔で）撮影した２つの画像から得られたアセトンとトルエンの蛍光強度比を、先に得た図３に示した検定曲線に照らし合わせると、撮影時のシリンダ４２内の酸素濃度を求めることができる。但し、検定曲線は蛍光剤の濃度と励起波長の強度によってその傾きが変化する。従って、図３で示す検定曲線を得る蛍光剤濃度、レーザパワーをそれぞれ測定しておき、実際のエンジン４０での蛍光剤濃度、レーザパワーを計測し、検定曲線の傾きを補正して用いることが必要である。例えば、各蛍光剤の濃度が定容容器１２を用いた実験と同じであると仮定し、２６６ｎｍのレーザ光強度が先の定容容器実験の２倍であれば、定容容器実験で得た傾きの２倍が検定曲線となる。あるいは、２４８ｎｍのレーザ光強度のみが定容容器実験の２倍であった場合は、参照する検定曲線は定容容器実験で得た傾きの１／２とすればよい。そして、シリンダ４２内にシート状に成形したレーザ（レーザシート）を照射することでレーザシートが通過する横断面における画像を得ることができるため、図８に示すように画素毎に蛍光強度比を測定して酸素濃度を求めることでシリンダ４２の横断面における２次元の酸素濃度分布を得ることができる。
【００３９】
なお、上記では図１に示した装置で得た検量曲線を用いたが、可視化エンジン４０を用いてシリンダ４２内の酸素濃度を測定する場合、検量曲線は、例えば、この可視化エンジン４０を用い、モータリング運転、すなわち酸素濃度が既知である条件にて得ることができる。酸素濃度の絶対値が必要であるが、この場合、容積、圧力、及び温度（シリンダ４２内の平均温度）から容易に算出することができる。
【００４０】
また、可視化エンジン４０を駆動させて測定を行う場合、エンジン筒内に吸入された燃料が燃焼すると、蛍光剤（トルエン及びアセトン）が消滅して蛍光剤の特性は失われる。従って、ここでは燃料が燃焼する前の蛍光剤が存在するときの酸素濃度を測定することになる。この時、燃料と酸素濃度の分布は燃焼に大きく影響し、エンジン性能にとって極めて重要である。従って、上記のような方法によって燃焼前の酸素濃度分布を測定することで極めて有用なデータが得られることとなる。
【００４１】
−縦断面における測定−
シリンダ４２内の縦断面における酸素濃度を測定する時は、図６に示すように、シリンダ４２の上部横方向の所定の位置に各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂを配置し、石英ピストン４４の下方のミラー４６を介して石英シリンダ４２の軸方向にレーザ光Ｌを入射させる。図７は、上記のようにレーザ光Ｌを照射する場合の光学系６０の構成の一例を模式的に示している。それぞれ異なる特定波長（励起波長：２４８ｎｍ、２６６ｎｍ）のレーザ光Ｌを放つ２台のレーザ光照射手段１４ａ，１４ｂと、各レーザ光照射手段１４ａ，１４ｂから放たれたレーザ光Ｌを、可視化エンジン４０のミラー４６に導くためのミラー６２ａ〜６２ｅ及びシリンドリカルレンズ６４がそれぞれ所定の位置に配置されている。各レーザ光照射手段１４ａ，１４ｂからのレーザ光Ｌは、ミラー６２ａを移動させることにより選択することができる。あるいは、ダイクロイックミラーを用いて各レーザ光照射手段１４ａ，１４ｂからのレーザ光を選択的に反射又は透過させてもよい。選択されたレーザ光Ｌはミラー６２ｂ，６２ｃ，６２ｄによってシリンドリカルレンズ６４に導かれる。レーザ光Ｌはシリンドリカルレンズ６４によってシート状に成形された後、ミラー４６によりシリンダ４２の軸方向に反射されてシリンダ４２内に導かれる。
【００４２】
ここでは、図４に示した横断面の酸素濃度の測定時とは異なり、レーザ光Ｌは一方向から入射させているが、ピストン４４上昇時にはシリンダ４２内の縦方向（軸方向）の距離は小さく、下降時にはシリンダ４２内の蛍光剤の濃度が薄いため、レーザ光Ｌを一方向から入射させても蛍光剤による吸収の影響は小さく、特に問題はない。このようにシート状のレーザ光（シートレーザ）Ｌを石英シリンダ４２の軸方向に入射させれば、シート状のレーザ光Ｌが通過する縦断面におけるトルエンの蛍光とアセトンの蛍光を各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂによってそれぞれ撮影することができる。そして、シリンダ４２内の横断面の酸素濃度を求めた場合と同様に、各ＩＣＣＤカメラ３０ａ，３０ｂで撮影した２つの画像から得られるアセトンとトルエンの蛍光強度比を、このエンジン４０から得られた検定曲線に照らし合わせることでシリンダ４２内の酸素濃度を求めることができる。ここでは、シリンダ４２内の縦断面の方向にレーザシートを照射しているため、画素毎に蛍光強度比に基づいて酸素濃度を求めることでシリンダ４２の縦断面における２次元の酸素濃度分布を得ることができる。
【００４３】
以上のように、可視化エンジン４０を用いることで、駆動時の温度や圧力に関わらず、シリンダ４２内の横断面及び縦断面における２次元の酸素濃度分布を測定することができる。また、レーザ光Ｌの照射位置を縦横方向に平行にずらして種々の測定を行えば、３次元での酸素濃度分布を得ることも可能である。そして、このように可視化エンジン４０のシリンダ４２内における２次元又は３次元の雰囲気ガス中の酸素濃度分布を求めることで、その分布を有効に利用した燃焼法の開発に貢献することができ、エンジン性能（出力、排気、燃費等）の向上に大いに寄与することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、雰囲気ガスにレーザ光を入射させる光学系の構成は上記実施形態で例示したものに限定されず、適宜設計すればよい。また、レーザ光は必ずしもシート状にして照射する必要はなく、レーザ光を点状に照射して局所的に酸素濃度を測定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明により酸素濃度を測定する場合に使用することができる装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】アセトンとトルエンの蛍光波長（発光スペクトル）と、各蛍光強度の測定に使用する各フィルタの波長域の一例を示す図である。
【図３】アセトンとトルエンの蛍光強度比と酸素濃度との相関関係を示すグラフ（検量曲線）である。
【図４】可視化エンジンを用いてエンジン筒内の横断面における酸素濃度を測定する方法の一例を示す概略図である。
【図５】図４に示す可視化エンジンの両側からレーザ光を照射するための光学系の一例を概略的に示す図である。
【図６】可視化エンジンを用いてエンジン筒内の縦断面における酸素濃度を測定する方法の一例を示す概略図である。
【図７】図６に示す可視化エンジンの軸方向にレーザ光を照射するための光学系の一例を概略的に示す図である。
【図８】得られたアセトンとトルエンの蛍光強度比に基づいて画素毎の酸素濃度を決定する場合を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００４６】
１２・・・定容容器
１４，１４ａ，１４ｂ・・・レーザ光照射手段
１６ａ，１６ｂ・・・ミラー
１８・・・シリンドリカルレンズ
２０・・・ハーフミラー
２２ａ，２２ｂ・・・石英板
２４・・・パワーメータ
２６ａ，２６ｂ・・・入射窓
２８ａ，２８ｂ・・・観察窓
３０，３０ａ，３０ｂ・・・ＩＣＣＤカメラ
３２，３２ａ，３２ｂ・・・レンズ
３４，３４ａ，３４ｂ・・・フィルタ
４０・・・可視化エンジン
４２・・・石英シリンダ
４４・・・石英ピストン
５０，６０・・・光学系
Ｌ・・・レーザ光
【図１】
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【図２】
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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３】
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