JP2016217743A - 熱流束計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼室での熱流束の計測精度の向上を図る。【解決手段】熱流束計測装置において、内燃機関の燃焼室における火炎を撮像する撮像手段と、撮像手段によって撮像された火炎画像に基づいて、火炎の移動速度に関する情報である火炎移動速度情報と、該火炎の温度に関する情報である火炎温度情報を算出する第１算出手段と、燃焼室内の圧力に関する圧力情報を取得する圧力情報取得手段と、火炎温度情報および圧力情報に基づいて、燃焼室内の燃焼ガスのプラントル数、動粘性係数、熱伝導率を含む所定パラメータを算出するとともに、火炎移動速度情報及び該所定パラメータに基づいて、火炎から燃焼室の内壁面への熱伝達に関する熱伝達率を算出する第２算出手段と、熱伝達率を含んで形成される所定の熱伝導方程式に従って、燃焼室の壁面内の所定深部での熱流束を算出する第３算出手段と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室における熱流束を計測する装置に関する。

例えばロケットや航空機等の、過酷な熱的環境に晒される物体の強度等を把握するために、物体表面に感温塗料を塗布しそこでの熱流束分布の計測が行われている。しかし、熱的な条件が変動する非定常状態での熱流束分布は時々刻々変化していくため、従来の感温塗料を用いた手法では熱変化に対する追従性が十分ではなく、物体における熱流束分布の計測精度の向上が求められていた。そこで、特許文献１に示す技術では、感温塗料が塗布された任意の材質からなる物体表面に励起光を照射し、物体表面温度に対応して変化する感温塗料の発光強度が、画像情報として高速レートで時系列的に取得検出される。そして、その画像情報に基づいて、光強度−温度較正特性から物質表面の温度分布画像が得られ、それに基づいて熱流束分布が算出される。これにより、物体における熱流束分布をその熱流束が非定常現象や短時間現象であっても計測することが可能とされる。

特開２００４−２１２１９３号公報

過酷な熱的環境場の一例として、内燃機関の燃焼室の内部が挙げられる。燃焼室においては、燃料と空気の混合ガスが燃焼されるため、燃焼室内は高温高圧の環境に置かれることになる。また、この混合ガスの燃焼は定常的に生じるのではなく、断続的に発生するものである。そのため、燃焼室の壁面は非定常的な熱的環境に晒される。ここで、燃焼室内で生じた燃焼エネルギーは、理想的にその全てがピストンに伝えられることで、高効率の内燃機関として機能することになるが、実際には、燃焼エネルギーの一部が燃焼室の壁面に伝達されることで、いわば燃焼エネルギーの損失が生じ、内燃機関の効率を低下させることになる。このように内燃機関の効率改善の観点からも、燃焼室内の熱的挙動を正確に把握することは重要であり、その一例として、燃焼室における熱流束の利用が挙げられる。

ここで、上記の従来技術では、感温塗料を利用した熱流束の計測が行われている。しかし、内燃機関の燃焼室においては混合ガスが燃焼し、火炎が存在するため、従来技術で示したように感温塗料の発光強度の画像情報を精度よく取得することは困難である。また、感温塗料の発光を利用して間接的に熱流束を計測する場合には、熱に対する感温塗料の追従性のずれに起因した、計測精度の低下を回避することは極めて困難である。特に内燃機関においては、燃焼室内で極めて短時間の混合ガスの燃焼が繰り返される非定常的な熱的環境が形成されるため、感温塗料による熱流束の計測については計測精度の向上には自ずと限界が存在する。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃焼室での熱流束の計測精度の向上を図る技術を提供することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、内燃機関の燃焼室の壁面内部での熱流束を決定する、該燃焼室内の火炎、すなわち混合ガスの燃焼によって形成される火炎に着目
した。そして、当該火炎を撮像し、その画像データに基づいて、火炎の移動速度情報及び火炎の温度情報を算出し、それとともに燃焼室内の圧力情報を利用することで、当該火炎から燃焼室の壁面に伝導する熱エネルギーを所定の熱伝導方程式に従って算出することで、壁面内部での熱流束を算出することが可能となる。

具体的には、本発明は熱流束計測装置であって、内燃機関の燃焼室における火炎を撮像する撮像手段と、前記撮像手段によって撮像された火炎画像に基づいて、火炎の移動速度に関する情報である火炎移動速度情報と、該火炎の温度に関する情報である火炎温度情報を算出する第１算出手段と、前記燃焼室内の圧力に関する圧力情報を取得する圧力情報取得手段と、前記火炎温度情報および前記圧力情報に基づいて、前記燃焼室内の燃焼ガスのプラントル数、動粘性係数、熱伝導率を含む所定パラメータを算出するとともに、前記火炎移動速度情報及び該所定パラメータに基づいて、前記火炎から前記燃焼室の内壁面への熱伝達に関する熱伝達率を算出する第２算出手段と、前記熱伝達率を含んで形成される所定の熱伝導方程式に従って、前記燃焼室の壁面内の所定深部での熱流束を算出する第３算出手段と、を備える。当該構成によれば、火炎の画像データそのものを利用するため、従来技術のように火炎によって感温塗料の発光強度の画像情報の取得が阻害されるようなことは回避できる。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室での熱流束の計測精度の向上を図ることが可能となる。

本発明に係る熱流束計測装置の概略構成を示す図である。 図１に示す熱流束計測装置において実行される、内燃機関の燃焼室の壁面内部における熱流束を計測するための計測処理に関するフローチャートである。 図２に示す計測処理において撮像された火炎の画像を示す図である。 図２に示す計測処理においてＰＩＶ処理に従って算出された火炎の移動速度の分布を示す図である。 図２に示す計測処理において２色法に従って算出された火炎の温度の分布を示す図である。 燃焼室内の火炎から壁面内部への熱伝達を概念的に記載した図である。 図１に示す熱流束計測装置により計測された燃焼室の壁面内部における熱流束の分布を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る熱流束計測装置の概略構成を示す図である。図１に示す燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジン用の噴射弁である。図１においては、燃料噴射弁１が搭載される内燃機関の全体構成の記載は省略されており、その燃焼室９を形成する燃焼容器２及び燃料噴射弁１から噴射された燃料が自着火することで形成される火炎１０に直接晒される位置に、燃焼室９の壁面３が配置されている。

また、燃焼容器２の一部に、燃焼室９内の様子を外部から確認できる、耐熱性の可視化窓４が設けられている。この可視化窓４を通すことで、壁面３に接近する火炎１０の部位を外部から確認することが可能となる。そこで、当該部位を撮像視野に収めるように、カラー（ＲＧＢ）の高速度カメラ６が配置されている。この高速度カメラ６には、被写界深
度の浅いレンズ７が設置されているため、壁面３に到達する直前の火炎１０のスポット的な撮像が好適に行われ得る。また、燃焼室９内の圧力を検出するための圧力センサ５が、燃焼容器２に配置されている。

そして、図１に示す熱流束計測装置は解析装置８を有している。解析装置８は、いわゆるコンピュータであり、演算処理装置やメモリ等を有する。また、高速度カメラ６及び圧力センサ５は、この解析装置８に電気的に接続されており、高速度カメラ６により撮像された画像データや、圧力センサ５による圧力の検出データは解析装置８に引き渡されて、そこで後述する壁面３での熱流束計測のための処理に利用されることになる。

そこで、図２に基づいて、壁面３での熱流束計測のための処理について説明する。当該熱流束計測処理は、解析装置８内の演算処理装置によって、所定のプログラムの実行により実現される。なお、当該所定のプログラムは、解析装置８内のメモリに格納されている。先ずＳ１０１では、燃料噴射弁１からの噴射燃料が自着火燃焼を行い得る条件が燃焼室９内に形成された状態において、当該燃料噴射弁１から燃料が噴射され、それにより形成される火炎１０が高速度カメラ６により撮像される。本熱流束計測処理は、火炎１０から壁面３が受熱することで生じる熱流束を計測するものであるから、Ｓ１０１では、火炎１０が壁面３に到達する直前の当該火炎１０の撮像が行われる。なお、この撮像は、熱流束の挙動を把握する期間にわたって複数回行われる。図３Ａに、撮像された火炎１０の一例を示す。撮像された火炎１０の画像データは、解析装置８へ引き渡される。更に、Ｓ１０１では、火炎１０の撮像時における燃焼室９内の圧力が、圧力センサ５によって検出される。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、複数回にわたって撮像された火炎１０の画像データに基づいて、ＰＩＶ処理により火炎１０の移動速度情報の算出が行われる。Ｓ１０２の処理は、本発明に係る第１算出手段による処理の一部を形成する。ＰＩＶ処理は、測定される流速を可視化するために用いられるトレーサ粒子が微小時間Δｔに移動する距離Δｘを、画像データの処理により算出し、その移動距離ΔｘをΔｔで除することで、流速を間接的に算出する手法である。そして、ＰＩＶ処理には、移動距離Δｘを算出するための手法として、画像相関法と粒子追跡法の２つの手法が例示できる。本実施例では火炎の移動速度情報を算出するために、撮像した火炎１０の画像データにおける輝度むらを利用して、画像相関法に従ってその移動速度情報の算出を行うものとする。なお、ＰＩＶ処理自体は公知の画像処理技術であるから、本願での詳細な説明は割愛する。

ここで、図３Ｂに、図３Ａに示す火炎データに基づいて算出された火炎１０の移動速度情報の分布の一例が示される。図３Ｂから理解できるように、所々、火炎１０の移動速度が比較的高くなっている領域が存在している。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、複数回にわたって撮像された火炎１０の画像データに基づいて、２色法により火炎１０の温度情報の算出が行われる。Ｓ１０３の処理は、Ｓ１０２の処理と同様、本発明に係る第１算出手段による処理の一部を形成する。２色法は、火炎のカラー画像から火炎の温度を計測するための従来技術による手法であって、例えば、特許文献である特開平０１−１８０４３０号公報等に詳細が開示されている。２色法では、撮像された火炎の画像データのＲＧＢ情報の中から、例えば、Ｒ信号とＧ信号を抽出し、両者の出力比であるＲ／Ｇを求める。そして、予め準備しておいた温度をパラメータとした黒体放射の理論曲線に基づいて、当該出力比Ｒ／Ｇから火炎の温度を算出する手法である。本実施例では、撮像範囲の火炎の画像データをメッシュ状に分割し、各メッシュ領域に対する面積平均の火炎温度を２色法により算出する。

ここで、図３Ｃに、図３Ａに示す火炎データに基づいて算出された火炎１０の温度情報の分布の一例が示される。図３Ｃから理解できるように、撮像領域において他の領域よりも突出して火炎温度が高くなっている箇所（図中、丸印で囲まれている領域）が存在することが理解できる。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出された火炎１０の温度情報と、Ｓ１０１で圧力センサ５によって検出された燃焼室９内の圧力に基づいて、燃焼室９内の火炎（燃焼ガス）のプラントル数Ｐｒ、動粘性係数ν、熱伝導率λを含む所定パラメータが算出される。Ｓ１０４の処理は、本発明に係る第２算出手段による処理の一部を形成する。これらの所定パラメータは、後述のＳ１０５における熱伝達率の算出や、Ｓ１０６、Ｓ１０７での各処理に必要なパラメータであり、火炎の温度とその圧力により変化する物性値であることが知られている。そこで、解析装置８のメモリ内には、火炎の温度と圧力を引数として、プラントル数Ｐｒ、動粘性係数ν、熱伝導率λを算出するための制御マップが格納されている。そして、Ｓ１０４の処理においては、Ｓ１０３で算出された火炎１０の温度情報と、Ｓ１０１で検出された圧力を用いて、当該制御マップにアクセスすることで、所定パラメータであるプラントル数Ｐｒ、動粘性係数ν、熱伝導率λが算出される。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、下記の式１に従って、火炎１０から壁面３への熱伝達に関する熱伝達率αが算出される。Ｓ１０５の処理は、Ｓ１０４の処理と同様に、本発明に係る第２算出手段による処理の一部を形成する。本実施例のようにディーゼル燃焼が行われる場合は、一般的には、壁面３に沿って乱流伝熱が生じていると考えられる。この点、および壁面３が概ね板状であることを踏まえて、式１は決定されている。なお、当該熱伝達率αを含め、Ｓ１０６で算出される壁面３の表面温度Ｔｓ及び所定深部の温度Ｔｗ、Ｓ１０７で算出される熱流束ｑを算出するための諸パラメータの相関をモデル化した状態を図４に示す。図４に示すように、式１で算出される熱伝達率αは、温度がＴｇであり壁面３に沿った移動速度がＶである火炎１０から壁面３に熱が伝達するときの熱伝達率に相当する。そして、壁面３の表面温度はＴｓであり、その表面から内部にｘ進んだ位置である所定深部の温度はＴｗと記載されている。そして、この壁面３内での熱流束がｑと定義されている。

Ｐｒ：プラントル数
Ｖ：火炎の移動速度
Ｌ：代表寸法
ν：火炎の動粘性係数
λｇ：火炎の熱伝導率
複数回にわたって撮像された火炎の画像データに基づいて算出された火炎移動速度情報、火炎温度情報、及び圧力情報を利用することで、Ｓ１０５の処理により熱伝達率αの時系列データが算出されることになる。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、下記の式２に従って、壁面３の表面温度Ｔｓと所定深部の温度Ｔｗが算出される。Ｓ１０６の処理は、本発明に係る第３算出手段による処理の一部を形成する。本実施例のようにディーゼル燃焼による火炎は時間的に変化するため、当該火炎から壁面３への熱伝達は、非定常のものと考えられる。この点を考慮して決定されたのが、下記の式２に示す、壁面３の温度Ｔを算出するための一次の熱伝導方程式である。当該式２において、表面温度Ｔｓはｘ＝０とすればよく、所定深部の温度Ｔｗはｘ＝ｘとすればよい。

Ｔｇ：火炎温度
Ｔ_０：壁面３の初期温度
λｗ：壁面３の熱伝導率
ａｗ：壁面３の熱拡散率
erfc(x)：相補誤差関数
Ｓ１０６の処理が終了すると、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０７では、Ｓ１０６で算出された表面温度Ｔｓ及び所定深部の温度Ｔｗを、下記の式３に代入することで、壁面３の表面から深さｘにおける熱流束の分布が、時系列的に算出される。Ｓ１０７の処理は、Ｓ１０６の処理と同様に、本発明に係る第３算出手段による処理の一部を形成する。

ρｗ：壁面３の密度
Ｃｗ：壁面３の比熱

ここで、図５に、式３に従って算出された熱流束の分布が示される。図５から理解できるように、撮像領域において他の領域よりも突出して熱流束が高くなっている箇所が存在することが理解できる。なお、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図５の記載は、高速度カメラ６によって撮像された図３Ａの火炎画像に対応している。そのため、本実施例では、熱流束と、火炎の移動速度、火炎の温度との相関関係を面（画像面）で把握することが可能となる。そこで、図３Ｂ、図３Ｃ、及び図５の記載に基づけば、熱流束が大きくなっている箇所（図５において丸印で囲まれている箇所）に対応する箇所を、図３Ｂ及び図３Ｃにおいても同様に丸印で囲んでいる。これらの比較から分かるように、熱流束が大きくなる箇所においては、火炎の移動速度はそれほど大きくなっていないものの、火炎の温度は比較的高くなっていることが容易に理解できる。ここで、図５に示す「熱流束」は、燃焼室９から壁面３に逃げる熱の流れを意味するものであるから、いわば内燃機関でのディーゼル燃焼における損失（いわゆる冷却損失）を表している。そうすれば、図３Ｂ、図３Ｃ、図５の相関を踏まえれば、この損失を軽減させるためには、ディーゼル燃焼による火炎１０の移動速度を抑制するよりも、その温度を低減した方が図５に示す丸印で囲まれた箇所の熱流束を低減するのに有用であると推察できる。Ｓ１０７の処理後、本制御を終了する。

本制御によれば、火炎１０の撮像された画像データを利用して、壁面３における熱流束を計測するため、従来技術のように、火炎１０の存在が邪魔になることはなく、熱流束の計測精度を向上させることができる。また、熱流束の計測に当たって壁面３の熱的な物性値である密度や比熱を利用するため、当該計測が壁面３の材質によって制限されることがない。

１・・・燃料噴射弁
２・・・燃焼容器
３・・・壁面
５・・・圧力センサ
６・・・高速度カメラ
８・・・解析装置
９・・・燃焼室
１０・・・火炎

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室における火炎を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段によって撮像された火炎画像に基づいて、火炎の移動速度に関する情報である火炎移動速度情報と、該火炎の温度に関する情報である火炎温度情報を算出する第１算出手段と、
   前記燃焼室内の圧力に関する圧力情報を取得する圧力情報取得手段と、
   前記火炎温度情報および前記圧力情報に基づいて、前記燃焼室内の燃焼ガスのプラントル数、動粘性係数、熱伝導率を含む所定パラメータを算出するとともに、前記火炎移動速度情報及び該所定パラメータに基づいて、前記火炎から前記燃焼室の内壁面への熱伝達に関する熱伝達率を算出する第２算出手段と、
   前記熱伝達率を含んで形成される所定の熱伝導方程式に従って、前記燃焼室の壁面内の所定深部での熱流束を算出する第３算出手段と、
   を備える、熱流束計測装置。
   

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