JP2006064682A - Sound apparatus for measuring volume of engine combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジン製造工程において、複雑な形状をした燃焼室の容積と標準容器の容積との差を、音を利用して乾燥状態のままで精度よく測定する測定装置にかかわる。The present invention relates to a measuring apparatus for accurately measuring a difference between a volume of a combustion chamber having a complicated shape and a volume of a standard container in an engine manufacturing process in a dry state using sound.
自動車等のエンジンの燃焼室容積は、エンジンの性能やノッキングの特性に影響するので、その製造工程においては燃焼室容積を管理する必要がある。しかし燃焼室は吸排気弁や点火栓等が突出していて複雑な形状をしているので、寸法を計測してその容積を算出することは非常に難しい。Since the combustion chamber volume of an engine such as an automobile affects the engine performance and knocking characteristics, it is necessary to manage the combustion chamber volume in the manufacturing process. However, since the combustion chamber has a complicated shape with protruding intake and exhaust valves and spark plugs, it is very difficult to measure the dimensions and calculate the volume.
エンジンの製造工程では、燃焼室が組み込まれたエンジンヘッドブロックが燃焼室が上向きになるように転置されてベルトコンベアによって送られてくるが、この状態において燃焼室容積を測定するのに、従来は透明なアクリル板などを燃焼室の上に置き、その中央に穿たれた小孔にビュレットから液体を滴下し、燃焼室がいっぱいになるまでに滴下した液体の容積から燃焼室容積を求めるという方法が採られている。しかしながら、この方法は測定に長時間を要するだけでなく、測定後に使用した液体を除去しなければならないなど、問題点が多々ある。In the engine manufacturing process, the engine head block incorporating the combustion chamber is transposed so that the combustion chamber faces upward and is sent by a belt conveyor. Conventionally, in this state, in order to measure the combustion chamber volume, A method in which a transparent acrylic plate or the like is placed on the combustion chamber, liquid is dropped from the burette into a small hole drilled in the center, and the volume of the combustion chamber is calculated from the volume of liquid dropped until the combustion chamber is full. Has been adopted. However, this method not only requires a long time for the measurement, but also has many problems such as the liquid used after the measurement must be removed.
一方、複雑な形状の物体の体積を乾燥状態のままで測定する一つの方法として、スピーカなどの音源によって物体を入れた測定容器内部の空間に交番的な体積変化を与えて内部の気体を断熱的に圧縮膨張せしめ、そのときの交番的圧力変化をマイクロホン等で検出して物体の体積をその形状にかかわりなく求めるという方法がある。
この種の測定方法として、出願人は特許文献1において、基準容器と測定容器の双方にスピーカによって交番的体積変化を差動的に与え、そのときに生ずるこれらの容器内の気体の交番的圧力変化の大きさの比、すなわち音圧の大きさの比から、交番的体積変化の大きさには無関係に、かつ、容器内の気体の静圧力にも影響されないで、測定容器の中に入れた物体の体積とそれと比較される標準物体の体積との差を測定する音響式体積計を示した。出願人はまた、特許文献2において、上記の基準容器と測定容器を連通する連通管の内部の音圧を検出することにより、比較的精度の低いマイクロホンを用いて同様に体積差を測定できる音響式体積計を示した。以下、これら二つの体積計を前願発明と称する。As an example of this type of measurement method, in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-260260, the applicant differentially applies an alternating volume change to both the reference container and the measurement container by a speaker, and generates an alternating pressure of the gas in these containers. The ratio of the magnitude of the change, that is, the ratio of the sound pressure, is placed in the measurement container regardless of the magnitude of the alternating volume change and without being affected by the static pressure of the gas in the container. An acoustic volume meter that measures the difference between the volume of the measured object and the volume of the standard object compared with it is presented. The applicant also disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228688, an acoustic that can similarly measure a volume difference using a relatively low accuracy microphone by detecting the sound pressure inside the communication pipe that communicates the reference container and the measurement container. An expression volume meter was shown. Hereinafter, these two volume meters are referred to as the prior invention.
前願発明において、比較される標準物体の体積が既知であれば、これに測定された体積差を加えて被測定物体の体積を求めることができるが、燃焼室の場合には、求められるものは、前願発明におけるような測定容器の中に入れた物体の体積ではなく、燃焼室という容器の容積である。したがって、気体の音圧を利用するにしても、前願発明をそのまま適用することはできず、それとは異なった構造と測定方式を持つ新しい装置を創出する必要がある。In the invention of the previous application, if the volume of the standard object to be compared is known, the volume of the object to be measured can be obtained by adding the measured volume difference to the standard object. Is not the volume of the object placed in the measurement container as in the invention of the previous application, but the volume of the container called the combustion chamber. Therefore, even if the sound pressure of gas is used, the invention of the previous application cannot be applied as it is, and it is necessary to create a new apparatus having a structure and measurement method different from that.
上記のような課題を解決するための本発明装置の一形態は、一つの基準容器と、この基準容器を転置したエンジンヘッドブロックの燃焼室の上に載せたときに基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間に交番的体積変化を差動的に与えるように設置されたスピーカなどの音源と、基準容器内部と燃焼室内部の空間を連通する連通管と、上記体積変化が与えられたことによって生ずる基準容器内部の交番的圧力変化、すなわち音圧、を検出する第1圧力検出器のマイクロホンと、上記連通管内部の音圧がほぼ0となる位置に設けられた検出函の音圧を検出する第2圧力検出器のマイクロホンと、第1圧力検出器の出力で第2圧力検出器の出力を同期整流する手段と、基準容器を燃焼室に載せたときの同期整流された信号の大きさと基準容器を既知の容積を有する標準容器に載せたときの同期整流された信号の大きさとから燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段とからなる。One form of the device of the present invention for solving the above problems is that one reference container and the space inside the reference container and the combustion when the reference container is placed on the combustion chamber of the engine head block to which the reference container is transferred A sound source such as a speaker installed so as to differentially give an alternating volume change to the indoor space, a communication pipe communicating the inside of the reference container and the space inside the combustion chamber, and the volume change given above The microphone of the first pressure detector that detects the alternating pressure change inside the reference container, that is, the sound pressure, and the sound pressure of the detection box provided at the position where the sound pressure inside the communication pipe becomes almost zero. The microphone of the second pressure detector to detect, means for synchronously rectifying the output of the second pressure detector with the output of the first pressure detector, and the magnitude of the synchronously rectified signal when the reference vessel is placed in the combustion chamber And the reference container is known And means for determining the difference between the volumes of the standard container combustion chamber from the magnitude of the synchronous rectified signal when placed on a standard container with a volume.
このように、連通管を使用するという本発明の方式によれば、比較的精度の低い安価なマイクロホンを用いて容積差を測定することができる。また、気体の断熱的な圧縮膨張を利用する原理からして、本発明においては容器の形状は測定に影響しないから、上記の比較される標準容器は燃焼室と同じ形状である必要はない。たとえば金属ブロックの上面を平面に加工し、この面に円柱状の窪みを穿ったものを標準容器として使用すれば、その容積は寸法測定により容易に求められる。したがって本発明装置により燃焼室の容積と上記の標準容器の容積との差が測定されたならば、この容積差に寸法から求められた標準容器の容積を加えることにより燃焼室容積が求められる。ただ、実際のエンジン製造工程では、燃焼室容積の絶対値は必ずしも必要ではなく、燃焼室容積の標準値からの容積差だけが知れればそれで十分という場合も多い。As described above, according to the method of the present invention using the communication pipe, the volume difference can be measured using an inexpensive microphone with relatively low accuracy. Further, from the principle of utilizing adiabatic compression and expansion of gas, in the present invention, since the shape of the container does not affect the measurement, the standard container to be compared does not need to have the same shape as the combustion chamber. For example, if the upper surface of a metal block is machined into a flat surface and a cylindrical recess is formed on this surface, the volume can be easily obtained by measuring the dimensions. Therefore, when the difference between the volume of the combustion chamber and the volume of the standard container is measured by the apparatus of the present invention, the volume of the combustion chamber is obtained by adding the volume of the standard container obtained from the dimensions to this volume difference. However, in an actual engine manufacturing process, the absolute value of the combustion chamber volume is not always necessary, and it is often sufficient if only the volume difference from the standard value of the combustion chamber volume is known.
本発明装置を使用すれば、エンジン燃焼室の容積を、液体を使うことなく乾燥状態のままで検査することができる。所要時間は燃焼室一つ当たり数秒以下で済むのでエンジンの生産効率は大いに向上する。以下、実施例により本発明の動作原理などを詳細に説明する。If the apparatus of the present invention is used, the volume of the engine combustion chamber can be inspected in a dry state without using liquid. Since the time required is less than a few seconds per combustion chamber, the production efficiency of the engine is greatly improved. Hereinafter, the working principle of the present invention will be described in detail by way of examples.
図1において、1は内部空間の容積がV1の基準容器、2は上下が転置されたエンジンヘッドブロックで3は容積Vの燃焼室である。基準容器1はその下部にアダプタ8が付けられており、この状態で基準容器1を燃焼室3の上に載せるが、このときアダプタ8の下面とエンジンヘッドブロック2の上面が密着して燃焼室3内部の空間が音響的にシールされる。しかし、アダプタを付けずに基準容器1をそのまま燃焼室の上に載せても測定に必要な音響的シールが得られる場合もあるので、アダプタ8は必須のものではない。In FIG. 1,
基準容器1の隔板4にはスピーカ6が付けられており、端子13を通して交番的な駆動電気信号sがスピーカ6に供給されるとスピーカのコーン状の振動板7が振動し、その表裏によって、基準容器1と燃焼室3の内部空間に微小な交番的体積変化が差動的に与えられる。その結果生じた基準容器1内部の音圧はマイクロホン11によって検出され、その出力信号e1は信号処理装置15にとりこまれる。隔板4にはまた、基準容器1と燃焼室3の内部空間を連通する連通管5と5’があり、その間に設けられた検出函9内部の音圧は可撓性チューブ14によってマイクロホン12に導かれて検出され、その出力信号e2も信号処理装置15にとりこまれる。なおV2は隔板4の下の空間とこれに通ずる容積Vの燃焼室3の空間の全部の容積を表わす。A speaker 6 is attached to the
いま、スピーカ駆動信号sによってスピーカ6が駆動され、振動板7が押し出されて隔板4より下の全空間の容積V2がΔVVなる微小体積だけ圧縮されるものとすると、基準容器1の内部容積V1はΔVVだけ膨張する。また連通管5、5’を通して隔板4より下の空間にΔVPなる微小体積の気体が流入するものとすると、基準容器1からはΔVPの体積の気体が連通管5、5’を通して流出する。このとき基準容器1の内部空問および隔板4より下の空間に生ずる微小圧力変化をそれぞれ−ΔP1、ΔP2とし、またNow, assuming that the speaker 6 is driven by the speaker drive signal s, the
ΔV=ΔVV+ΔVP ΔV = ΔV V + ΔV P
とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。Then, from the relational expression of the adiabatic change of gas, it becomes as follows.
ΔP1/P0=γΔV/V1 ΔP 1 / P 0 = γΔV / V 1
ΔP2/P0=γΔV/V2 ΔP 2 / P 0 = γΔV / V 2
ここでP0は基準容器1および隔板4より下の空間の内部の気体、通常は空気、の平均的な静圧であり、γ(ガンマ)はその気体の比熱比で、空気では約1.4である。上記二つの式よりHere, P 0 is the average static pressure of the gas inside the space below the
ΔP1/ΔP2=V2/V1 ΔP 1 / ΔP 2 = V 2 / V 1
なる関係式がえられる。すなわち圧力変化の大きさの比は体積変化ΔV、静圧力P0、比熱比γにはよらず、容積比V2/V1によって定まる。The following relational expression is obtained. That is, the ratio of the magnitude of the pressure change is determined not by the volume change ΔV, the static pressure P 0 , and the specific heat ratio γ but by the volume ratio V 2 / V 1 .
スピーカ6を駆動する交番的信号sが周波数fの正弦波の場合には、時間をtで表わすと、−ΔP1とΔP2はそれぞれ次式で示すような、互いに180度位相の異なる周波数fの正弦波音圧となる。When the alternating signal s driving the speaker 6 is a sine wave having a frequency f, when the time is represented by t, −ΔP 1 and ΔP 2 are each a frequency f having a phase difference of 180 degrees from each other as shown by the following equations. The sine wave sound pressure.
−ΔP1=−P1sin2πft−ΔP 1 = −P 1 sin2πft
ΔP2=P2sin2πftΔP 2 = P 2 sin2πft
ここでP1、P2は音圧振幅で、それらの比はWhere P 1 and P 2 are sound pressure amplitudes, and their ratio is
P1/P2=V2/V1 P 1 / P 2 = V 2 / V 1
である。It is.
図2は連通管5、5’および検出函9の内部構造を示す。長さL2の連通管5’の下端は隔板4より下の容積V2の空間に開口していて、そこでの音圧はΔP2であり、長さL1の連通管5の上端は容積V1の基準容器1の内部空間に開口していて、そこでの音圧は−ΔP1である。したがって検出函9内部の音圧は、上記二つの音圧を連通管5’の音響インピーダンスZ2と連通管5の音響インピーダンスZ1とで比例按分したものになり、この音圧が可撓性チューブ14を通ってマイクロホン12によって検出される。そしてFIG. 2 shows the internal structure of the
Z1/Z2=P1/P2 Z 1 / Z 2 = P 1 /
の場合には、検出函9内部の音圧の大きさはほとんど0になる。In this case, the magnitude of the sound pressure inside the
ここで検出函9の作用と効果を説明する。本発明装置では、連通管5、5’の長さL1、L2を変えて上記の音響インピーダンスZ1、Z2を調整するなどの方法によって検出函9内部の音圧がほぼ0となるようにして、その状態において容積差の測定を行なう。したがってマイクロホン12によって検出される音圧を小さい。一方、スピーカ6が周波数fの信号で駆動されると、連通管5、5’の内部に同じ周波数の振動流が生ずるが、その流速をvとしその気体の密度をρとすると、ρv2/2なる大きさの動圧が5、5’内部に発生する。この動圧の大きさは検出すべき音圧より大きくなる場合もあるが、連通管5、5’の内部断面積に比べて大きな内部断面積を有する検出函9を設けてそこにおける流速を小さくすることにより、上記の動圧を小さくすることができる。上記の動圧は流速vの2乗に比例するから、検出函9を設けることは信号対雑音比を良くするためにきわめて効果的である。Here, the operation and effect of the
図3は信号処理装置15の内部構造の一例である。信号発生器20は交番的なスピーカ駆動信号sを発生し、その信号はスピーカ6に供給される。マイクロホン12の信号e2は増幅器22で増幅され同期整流器16の入力となる。一方マイクロホン11の信号e1は増幅器21で増幅され、位相基準の信号として同期整流器16のもう一つの入力となる。信号e1は基準容器1内部の音圧−ΔP1を表わすが、同期整流器16ではマイクロホン12の信号e2の波形の内で信号e1と同相の成分が検出され、その同相成分の大きさを表わす出力信号Qは指示計器18によって表示される。17は加算器で、同期整流器の出力Qに−QSなるバイアスを与えるものであるが、その作用については後述する。なお、隔板4の下の空間の音圧ΔP2を可撓性チューブによってマイクロホン11に導入して検出し、その出力信号を位相基準の信号として同期整流器16に与えて、これと同相の成分を信号e2の中から抽出するようにしてもよい。この場合は基準となる信号の位相が180°変わるわけであるから、同期整流器16の出力Qの極性は反転する。FIG. 3 shows an example of the internal structure of the
本発明装置はマイクロホン12によって検出される検出函9の音圧がほぼ0となるような状態で作動するが、そのために、数8の関係式がほぼ満たされるように連通管5、5’の音響インピーダンスZ1、Z2を調整する。前述したように連通管5、5’の長さL1、L2を変えることもその調整方法の一つであるが、連通管5、5’の内径を変えるという方法もある。また、基準容器1の容積V1を変えると、数7の関係によってP1/P2が変わるから、この比がZ1/Z2にほぼ等しくなるように基準容器1の容積V1を定めるというのも一つの方法である。The device according to the present invention operates in such a state that the sound pressure of the
図4のグラフは、同期整流器16の出力信号Qと、エンジン燃焼室の容積Vと標準容器の容積VSとの容積差VD The graph of FIG. 4 shows the output signal Q of the
VD=V−VS V D = V−V S
の関係を表わす。このVDが小さくなるように、標準容器は、その容積VSが測定されるエンジン燃焼室容積Vに近いものを使用する。本発明装置のキャリブレーションの手続きは、まず基準容器1を標準容器の上に載せて、そのときのQの値としてQSを得る。これはグラフのQS点に対応する。つぎに容積VTを有する第2の標準容器の上に基準容器を載せて、そのときのQの値としてQTを得る。これはグラフのT点に対応する。QS点とT点を結んだ直線が、基準容器を測定される燃焼室の上に載せたときのQの値と、燃焼室容積Vと標準容積VSとの容積差VDの関係を表わす。すなわちRepresents the relationship. The V D so smaller standard container uses close to the engine combustion chamber volume V of the volume V S is measured. Procedures calibration of the device of the present invention, first a
K=(VT−VS)/(QT−QS)K = (V T −V S ) / (Q T −Q S )
とするとIf
VD=K(Q−QS)V D = K (Q−Q S )
が測定式である。さらに図3に示したように、加算器17において−QSなるバイアスをQに加えて(Q−QS)の信号を作りこれを指示計器18の入力にすると、容積差VDの値を、その正負の符号も含めて、指示計器18で直読することができる。容積差VDの値が測定されれば、これに標準容器の容積VSを加えてIs a measurement formula. As further shown in FIG. 3, when the input of the adder -Q S becomes biased in 17 in addition to the Q (Q-Q S) creates a signal which indicating
V=VD+VS V = V D + V S
として燃焼室容積Vの値を知ることができる。As a result, the value of the combustion chamber volume V can be known.
容積差VDと同期整流された信号Qの関係は一般には非線形であり、数11に示した線形の測定式は容積差VDの絶対値が小さいときに近似的に成り立つものである。工場の製造ラインでは同一種の多数のエンジンが製造され、それらの燃焼室容積の分布の範囲は1%程度である。したがって、それらの燃焼室容積に近い容積の標準容器を使用すれば、容積差VDの絶対値は数11の測定式が十分に成り立つような小さな値になる。そして測定された小さな値の容積差VDに標準容器の容積VSを加えたものが燃焼室容積Vであるから、マイクロホン12の感度変化により、仮に容積差VDの測定値に10%の誤差を生じても、最終的にえられる燃焼室容積Vの値に対してはたかだか0.1%の誤差を生ずるに過ぎない。温度変化などにより測定装置内部の気体の密度や粘度が変化すると連通管の音響インピーダンスZ1、Z2が変化し、その結果、検出函9内部の音圧が変化して容積差VDの測定値に誤差を生ずる。しかしこの変化は時間的に緩やかで、数十分に1回程度キャリブレーションを行なうことによりその影響を回避できる。The relationship between the volume difference V D and the synchronously rectified signal Q is generally non-linear, and the linear measurement equation shown in Equation 11 is approximately established when the absolute value of the volume difference V D is small. Many engines of the same type are manufactured in the factory production line, and the distribution range of the combustion chamber volume is about 1%. Therefore, if standard containers having a volume close to those combustion chamber volumes are used, the absolute value of the volume difference V D becomes a small value that satisfies the measurement formula of Equation 11 sufficiently. And since the volume difference V D of the measured small value plus the volume V S of the standard container is combustion chamber volume V, the change in sensitivity of the microphone 12, 10% if the measured value of the volume difference V D Even if an error occurs, the error of the combustion chamber volume V finally obtained is only 0.1%. When the density or viscosity of the gas inside the measuring device changes due to a temperature change or the like, the acoustic impedances Z 1 and Z 2 of the communication tube change, and as a result, the sound pressure inside the
図5はディジタル計算機を使用した信号処理装置15の構成の一例である。マイクロホン11、12の出力信号e1およびe2は増幅器21および22によって増幅されたのち、それぞれアナログディジタル変換器23および24によってディジタル量に変換されディジタル計算機25にとり込まれる。26は信号発生器で、交番的なスピーカ駆動信号sを発生してスピーカ6に供給するとともに、同期パルスを発生し、導線27を通してアナログディジタル変換器23、24とディジタル計算機25に供給する。上記のアナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みはこの同期パルスに同期して行なわれる。上記の同期パルスをディジタル計算機25で発生して23と24に供給し、アナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みを計算機自身で制御するようにしてもよい。FIG. 5 shows an example of the configuration of the
計算機25の内部では、上記のとりこまれたe1およびe2の信号波形についてフーリエ変換を行ない、e1の振幅E1と位相θ1およびe2の振幅E2と位相θ2を算出する。そしてInside the
Q=E2cos(θ2−θ1)Q = E 2 cos (θ 2 −θ 1 )
を算出するが、このQは信号e2の中の信号e1と同相の成分の振幅であり、図3の同期整流器16の出力Qと同等である。数13のQを用い、実施例1の場合と同様にキャリブレーションを行なって数11の測定式を作成して計算機の中に記憶し、その測定式を使って容積差VD求める。また、標準容器の容積VSの値を計算機に記憶しておけば、測定されたVDの値から数12によって燃焼室容積Vを求めることができる。Calculating a, this Q is the amplitude of the signals e 1 and phase components in the signal e 2, it is equivalent to the output Q of the
計算機を使用する場合には、信号Qを信号e1の振幅E1で除した量When using a calculator, the amount obtained by dividing the signal Q by the amplitude E 1 of the signal e 1
R=Q/E1 R = Q / E 1
を算出して、このRをQの代わりに用いた測定式And a measurement formula using this R instead of Q
VD=K’(R−RS)V D = K ′ (R−R S )
をキャリブレーションを行なって作成することができる。ここでCan be created by calibration. here
K’=(VT−Vs)/(RT−RS)K ′ = (V T −Vs) / (R T −R S )
であり、RT、RSはそれぞれQT、QSに対応するRの値である。数15の式を使って容積差VDを測定すると、これは基準容器1の中の音圧の大きさが一定となるようにスピーカ駆動信号sの振幅を制御しつつ信号Qを使って容積差を測定することに等価であり、容積差の測定精度の向上に効果がある。R T and R S are values of R corresponding to Q T and Q S , respectively. When the volume difference V D is measured using the equation (15), the volume is calculated using the signal Q while controlling the amplitude of the speaker driving signal s so that the sound pressure in the
1 内部容積V1の基準容器
2 エンジンヘッドブロック
3 容積Vの燃焼室
4 隔板
7 スピーカのコーン状の振動板
11、12 マイクロホン
13 端子
14 可撓性チューブ
17 加算器
18 指示計器
21、22 増幅器
27 導線DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reference |
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RU2775023C1 (en) * | 2022-01-18 | 2022-06-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ИНИТ-плюс" | Device for obtaining data suitable for the subsequent calibration of the tank |
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