JP2017003446A - 火炎表面積計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼室内で発生する火炎の表面積を正確に計測する。
【解決手段】高速度カラーカメラにて燃焼室内（エンジン筒内）のカラー画像を所定のクランクアングル毎に撮影し、その撮影した各画像データから青色火炎画像を抽出する。そして、同じクランクアングルでの燃焼室の有効領域と前記抽出した青色火炎画像とを比較して、燃焼室壁面に当たっていない部分の有効火炎端を判定する。このような判定処理により、青色火炎端を正確にとらえることができ、その青色火炎端を用いて、熱発生に寄与する火炎表面積を正確に算出（計測）することが可能になる。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の燃焼室内で発生する火炎の表面積を計測する火炎表面積計測装置に関する。

自動車等に搭載されるエンジンにおいては、燃焼室内（エンジン筒内）での熱発生率（クランクシャフトの単位回転角度当たりの熱発生量）を用いて燃焼状態を評価している。このような燃焼状態の評価に用いる熱発生率に関する技術として、例えば、特許文献１には、基準クランク角での火炎表面積、筒内混合気密度、燃焼速度及び運転状態に基づいて熱発生率最大値を算出すること（熱発生率の算出に火炎表面積を用いること）が開示されている。

特開２００４−３３２６５９号公報 特開１０−１５３４１６号公報

燃焼状態の評価に用いる熱発生率ｄＱ［J/CA］の物理的式は以下の（１）式で表すことができる。

ｄＱ［J/CA］＝ρfuel＊ＡT＊ＳT＊Ｅfuel／(６Ｎｅ) ・・・（１）
ただし、ρfuel：燃料密度 ＡT：火炎表面積 ＳT：燃焼速度 Ｅfuel：低位発熱量 Ｎｅ：エンジン回転数
このように、火炎表面積は熱発生率に寄与するので、エンジンの燃焼状態の評価や燃焼設計に熱発生率を用いる場合には、火炎表面積を精度よく計測することが望まれる。

ここで、火炎表面積を計測する方法として特許文献２に記載の技術（以下、従来技術という）がある。この従来技術では、ＬＩＦ法（レーザ誘起蛍光法）を用いて火炎の高温酸素分布画像を２台のカメラを用いて観測し、その観測した各画像に対し、それぞれ画像微分を行って高温酸素分布の端（火炎端）を検出することにより、火炎面の３次元形状を計測している。

しかしながら、このような従来技術では、画像微分により温度変化が最大となる場所を火炎端としてとらえるため、どうしても実際の火炎端との間に誤差が生じるという問題がある。また、従来技術では、遮るものがない自由な空間で火炎が広がることを前提に３次元火炎面を算出している。このため、燃焼室内のような閉じた空間でかつ時間変化する空間での影響を反映することができない。したがって、従来技術では、火炎端を正確にとらえることができず、火炎表面積を正確に計測することはできない。

本発明は、そのような実情を考慮してなされたもので、エンジン（内燃機関）の燃焼室内で発生する火炎の表面積を正確に計測することが可能な火炎表面積計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンの燃焼室内で発生する火炎の表面積を計測する火炎表面積計測装置であって、前記燃焼室内のカラー画像を所定のクランクアングル毎に撮影するカラーカメラと、前記カラーカメラにてクランクアングル毎に撮影された各カラー画像から青色火炎画像を抽出する青色火炎画像抽出手段と、同じクランクアングルでの前記燃焼室の有効領域と前記抽出した青色火炎画像とを比較して、前記燃焼室の壁面に当たっていない青色火炎端を判定する火炎端判定手段と、前記判定した青色火炎端を用いて火炎表面積を算出する表面積算出手段と、を備えていることを特徴としている。

以下、本発明の作用について述べる。

まず、カラーカメラにて撮影されたカラー画像データにはＲ，Ｇ，Ｂの各画素データが含まれている。ここで、燃焼室内（エンジン筒内）での燃焼による熱発生時にはＣＨラジカルが発生し、そのＣＨラジカルは青色光の波長（青炎波長：４３０ｎｍ）の光を放つ。そのため、カラーカメラにて撮影されたカラー画像データから、Ｂ画素データのみを抜き出して青色火炎画像を抽出すれば、火炎端を取得することができる。ただし、抽出した青色火炎端のうち、燃焼室に壁面に当たる火炎端は燃焼に寄与しない。

そこで、本発明では、燃焼室の有効領域と前記抽出した青色火炎画像とを比較し、青色火炎端のうち燃焼室壁面に当たっていない部分の有効な青色火炎端を判定する。このような判定を行うことにより、青色火炎端を正確にとらえることができ、その青色火炎端を用いて、熱発生に寄与する火炎表面積を正確に算出（計測）することができる。

本発明によれば、エンジンの燃焼室内で発生する火炎の表面積を正確に計測することができる。

本発明の火炎表面積計測装置の実施形態を示す概略構成図である。 単気筒可視化エンジンの要部側面図である。 火炎表面積の算出手順を示すフローチャートである。 燃焼室の有効領域の例を示す図である。 カラー画像からＢ画素のみの画像（青色火炎画像）を抜き出す処理を模式的に示す図である。 Ｒ，Ｇ，Ｂの各光の分光感度特性を示すグラフである。 青色火炎画像からノイズ成分を除去する処理を模式的に示す図である。 有効火炎先端画素を判定する処理を模式的に示す図である。 有効火炎端画素Ｐｋの半円周を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態の火炎表面積計測装置１００は、単気筒可視化エンジン１、高速度カラーカメラ２、クランクアングルセンサ３、及び、演算処理装置４などを備えている。

単気筒可視化エンジン１（以下、エンジン１ともいう）は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を備えている。シリンダブロック１１内には上下方向に往復動するピストン１３が設けられている。ピストン１３はコネクティングロッド１９を介してクランクシャフト１８に連結されており、ピストン１３の往復運動がコネクティングロッド１９によってクランクシャフト１８の回転へと変換される。

シリンダブロック１１の上部にシリンダヘッド１２が設けられており、このシリンダヘッド１２とピストン１３との間に燃焼室１４が形成されている。シリンダヘッド１２には点火プラグ１７が配置されており、この点火プラグ１７の電極１７ａが燃焼室１４内に臨んでいる。電極１７ａは燃焼室１４の中央（シリンダ中心）に相当する位置に配置されている。

シリンダヘッド１２には吸気ポート１５及び排気ポート１６が形成されている。吸気ポート１５の燃焼室１４内に臨む開口端に吸気バルブ１５ａが設けられており、排気ポート１６の燃焼室１４内に臨む開口端に排気バルブ１６ａが設けられている。これら吸気バルブ１５ａ及び排気バルブ１６ａは動弁系のカムシャフト（図示せず）によって開閉駆動される。

さらに、シリンダヘッド１２にはインジェクタ（図示せず）が配置されており、このインジェクタには、燃料供給系の燃料タンク（図示せず）に貯溜の燃料が供給される。これによって吸気ポート１５内に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となって燃焼室１４に導入される。燃焼室１４に導入された混合気（燃料＋空気）は点火プラグ１７にて点火されて燃焼・爆発する。このときに生じた高温高圧の燃焼ガスによりピストン１３が往復動され、クランクシャフト１８が回転されてエンジン１の駆動力（出力トルク）が得られる。燃焼ガスは、排気バルブ１６aの開弁にともない排気ポート１６に排出される。

以上の単気筒可視化エンジン１において、シリンダブロック１１（シリンダヘッド１２の一部も含む）はガラスシリンダ（図２参照）で構成されており、燃焼室１４内が可視化されている。なお、ガラスシリンダは金属部によって保持固定されている。

高速度カラーカメラ２は、例えばデジタルＣＣＤカラーカメラである。高速度カラーカメラ２は、単気筒可視化エンジン１（ガラスシリンダ）の側方に配置され、当該エンジン１の燃焼室１４内のカラー画像を撮影する。高速度カラーカメラ２は、エンジン１の運転中において、０．２クランクアングル（０．２ＣＡ）毎に燃焼室１４内のカラー画像を撮影することが可能である。高速度カラーカメラ２の出力信号（Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素信号）は演算処理装置４に入力される。

クランクアングルセンサ３は、クランクシャフト１８（図１参照）のクランクアングル［ＣＡ］を検出する。クランクアングルセンサ３は、例えば、ロータリエンコーダであって、クランクアングルを例えば０．２ＣＡの単位で検出することができる。クランクアングルセンサ３の出力信号は演算処理装置４に入力される。

演算処理装置４は、例えば汎用のパーソナルコンピュータであって、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バックアップＲＡＭ、及び、入出力インターフェースなどを備えている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種プログラムなどに基づいて演算処理を実行する。ＲＯＭには、各種プログラムなどが記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによる演算結果などを一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭは、演算処理装置４をオフする際に保存すべきデータなどを記憶する不揮発性のメモリである。

演算処理装置４の入出力インターフェースには、高速度カラーカメラ２及びクランクアングルセンサ３などが接続されている。そして、演算処理装置４は、クランクアングルセンサ３の出力信号に基づいて、高速度カラーカメラ２の出力信号（Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素信号）を０．２ＣＡ毎に取り込み、その画像データに基づいて［火炎表面積］を算出する。その算出方法については後述する。

なお、演算処理装置４には、高速度カラーカメラ２及びクランクアングルセンサ３のほか、ユーザが各種の操作を行うためのマウスおよびキーボード、あるいはタッチパネルなどの入力デバイスや、［火炎表面積］の算出結果などを表示するためのモニタ（液晶ディスプレイやＣＲＴ等）が接続されている。

−火炎表面積の算出−
［燃焼室の有効領域抽出］
まず、計測の前処理として燃焼室１４の有効領域を抽出しておく。具体的には、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示すような、燃焼室１４の有効領域の境界面（ピストン頂面及びペントルーフの内壁面）を０．２ＣＡ毎に抽出しておき、その抽出した有効領域データを演算処理装置４のＲＯＭに各クランクアングルに対応させた状態で格納しておく。

［画像撮影］
次に、エンジン１の燃焼室１４内のカラー画像を撮影する処理について説明する。まず、エンジン１を始動して所定の運転状態に維持する。このエンジン１の運転中において、演算処理装置４は、高速度カラーカメラ２を駆動制御して、エンジン１の運転中に当該エンジン１の燃焼室１４内のカラー画像を０．２ＣＡ毎（所定クランクアングル毎）に撮影し、その高速度カラーカメラ２にて撮影された各画像データを順次取り込んでＲＡＭにクランクアングル毎に記憶する。

［火炎表面積の算出処理］
演算処理装置４は、下記のステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４の処理により火炎表面積をクランクアングル毎に算出する。火炎表面積の算出を行うクランクアングルの範囲は、例えば圧縮行程から膨張行程までの範囲とする。

（ステップＳＴ１０１）
ステップＳＴ１０１では、上記した処理により取得した画像データ（１つのクランクアングルの画像データ）から青色火炎画像を抽出する。

具体的には、高速度カラーカメラ２にて撮影された画像データには、図５（Ａ）及び図６に示すように、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の各画素データが含まれている。

ここで、エンジン１の燃焼室１４内での燃焼による熱発生時にはＣＨラジカルが発生する。そのＣＨラジカルは青色光の波長（青炎波長：４３０ｎｍ）の光を放つ。そのため、高速度カラーカメラ２にて撮影されたカラー画像データから、Ｂ画素データのみを抜き出して青色火炎画像を抽出すれば、火炎端を取得することができる。そこで、本実施形態では、図５（Ａ）に示す画像データから、Ｂ画素データのみを抜き出した画像（青色火炎画像：図５（Ｂ）及び図７（Ａ）参照）を抽出する。

なお、上記演算処理装置４が実行する青色火炎画像抽出処理（図３）のステップＳＴ１０１が、本発明の「青色火炎画像抽出手段」としての処理に相当する。

（ステップＳＴ１０２）
ステップＳＴ１０２では、上記ステップＳＴ１０１で抽出した青色火炎画像のノイズ成分を除去する。具体的には、上記した前処理（有効領域抽出処理）により抽出した有効領域データのうち、今回の算出対象とする青色火炎画像と同じクランクアングルの有効領域データを読み出す。その読み出した有効領域データを、青色火炎画像データ（図７（Ａ））に適用し、図７（Ｂ）の破線で示す［ガラス厚みによるノイズ］及び［金属反射ノイズ］の各領域のＢ画素データを除去する。このようなノイズ除去処理を行った後の青色火炎画像は図８に示すような画像となる。

ここで、ステップＳＴ１０２のノイズ除去処理は、エンジン１の燃焼室１４内を可視化するために、図２に示すように、エンジン１をガラスシリンダ及び金属部で構成しているため、その可視化のためのガラス厚みによる反射ノイズ及び金属反射ノイズの影響を除去するために行われる。そして、このようにしてノイズ成分を除去することにより、青色火炎画像の輪郭（火炎端）が明確になる。

（ステップＳＴ１０３）
ステップＳＴ１０３では、上記ステップＳＴ１０２にてノイズ成分が除去された青色火炎画像と、上記有効領域データとを比較して有効火炎端を判定する。具体的には、図８に示す青色火炎画像（ノイズ成分が除去された後の画像）において、燃焼室壁面（ペントルーフ内壁面及びピストン頂面）に当たっている火炎端は熱発生に寄与しないので、その燃焼室壁面に当たっている火炎端の画素データは計算には用いないようにする。そして、燃焼室壁面に当たっていない部分（熱発生に寄与する部分）の有効な火炎端の画素Ｐｋを判定する。この有効火炎端画素の判定は、有効火炎端の高さ方向（Ｙ方向）の全体にわたって行う。

なお、上記演算処理装置４が実行するノイズ成分除去処理及び火炎端判定処理（図３）のステップＳＴ１０２及びステップＳＴ１０３が、本発明の「火炎端判定手段」としての処理に相当する。

（ステップＳＴ１０４）
ステップＳＴ１０４では火炎表面積を算出する。具体的には、図９に示すように、上記ステップＳＴ１０３で判定した有効火炎端画素Ｐｋの半径ｒ（Ｐｋ）を用いて、点火プラグを回転中心とする半円周Ｌ（Ｌ＝πｒ（Ｐｋ））を、各有効火炎端画素Ｐｋ毎に算出する。

そして、このようにして算出した半円周Ｌ（Ｌ＝πｒ（Ｐｋ））を高さ方向（Ｙ方向）において画素幅で積分（∫πｒ（Ｐｋ）ｄＰ）することにより、図９に示す火炎の中心に対する右側の３次元火炎表面積を算出することができる。

また、同様にして、図９に示す火炎の中心に対する左側の火炎表面積を算出し、これら左右の火炎表面積を加算することにより、１つのクランクアングルの火炎表面積を得ることができる。ここで、火炎表面積を半円周毎に算出しているのは、燃焼室１４内において火炎広がる距離（シリンダ中心に対して直交する方向の距離）が偏る場合があり、その影響を軽減するためである。

なお、上記有効火炎端画素Ｐｋの半径ｒ（Ｐｋ）を用いて、点火プラグを回転中心とする円周２Ｌ（２Ｌ＝２πｒ（Ｐｋ））を算出し、その円周２Ｌを高さ方向（Ｙ方向）において画素幅で積分（∫２πｒ（Ｐｋ）ｄＰ）することにより３次元火炎表面積を算出するようにしてもよい。

上記演算処理装置４が実行する火炎表面積算出処理（図３）のステップＳＴ１０４が、本発明の「表面積算出手段」としての処理に相当する。

以上の処理により１つのクランクアングルでの火炎表面積の算出を終了する。この算出した火炎表面積は、カラー画像を撮影したクランクアングルに対応してＲＡＭに記憶される。そして、このようなステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４の処理を各クランクアングル（０．２ＣＡごと）について行って、燃焼室１４内において火炎発生時から燃焼室１４内に広がりきるまでの間の火炎の火炎表面積をクランクアングル毎に算出してＲＡＭに記憶する。

ここで、火炎表面積の算出処理については、高速度カラーカメラ２にて画像データを撮影するごとに、都度算出するようにしてもよいし、また、高速度カラーカメラ２にてクランクアングル毎に撮像した画像データの全てをＲＡＭに記憶しておき、その記憶した複数の画像データをクランクアングル毎に読み出して、火炎表面積をクランクアングル毎に算出するようにしてもよい、
−表面積データの取り扱いについて−
上記したステップＳＴ１０１〜ステップＳＴ１０４の処理にて算出されたクランクアングル毎の火炎表面積データを、例えば、クランクアングルをパラメータ（横軸）としてプロットすることにより、火炎表面積波形を作成するようにしてもよい。

また、クランクアングル毎の火炎表面積データを用いて、上記した（１）式から、熱発生率ｄＱ［J/CA］をクランクアングル毎に算出し、算出した熱発生率ｄＱ［J/CA］を用いて、クランクアングルをパラメータ（横軸）とする熱発生率波形を作成し、その作成した熱発生率波形を燃焼状態の評価や燃焼設計などに用いるようにしてもよい。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、高速度カラーカメラ２にて燃焼室１４内（エンジン筒内）の画像を撮影し、その撮影した画像データから青色火炎画像を抽出する。その抽出した青色火炎画像からガラス厚みによるノイズ及び金属反射ノイズを除去し、そのノイズ成分を除去した青色火炎画像から、燃焼室壁面に当たっていない部分の有効火炎端を判定し、その有効火炎端に基づいて火炎表面積を算出している。このように、本実施形態では、青色火炎画像からノイズ成分を除去した画像から有効火炎端を判定しているので、火炎端を正確にとらえることができ、熱発生に寄与する火炎表面積を正確に算出（計測）することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、以上の実施形態では、ポート噴射型エンジンに本発明の火炎表面積計測装置を適用した例について説明したが、筒内直噴型エンジンにも本発明の火炎表面積計測装置を適用できる。

また、以上の実施形態では、ガソリンエンジン等の火花点火式のエンジンに本発明の火炎表面積計測装置を適用した例について説明したが、ディーゼルエンジン等の自着火式のエンジンにも本発明の火炎表面積計測装置を適用できる。

本発明は、エンジン（内燃機関）の燃焼室内で発生する火炎の表面積を計測する火炎表面積計測装置に有効に利用することができる。

１００ 火炎表面積計測装置
１ 単気筒可視化エンジン
１３ ピストン
１４ 燃焼室
１７ 点火プラグ
２ 高速度カラーカメラ
３ クランクアングルセンサ
４ 演算処理装置

Claims (1)

1. エンジンの燃焼室内で発生する火炎の表面積を計測する火炎表面積計測装置であって、
   前記燃焼室内のカラー画像を所定のクランクアングル毎に撮影するカラーカメラと、
   前記カラーカメラにてクランクアングル毎に撮影された各カラー画像から青色火炎画像を抽出する青色火炎画像抽出手段と、
   同じクランクアングルでの前記燃焼室の有効領域と前記抽出した青色火炎画像とを比較して、前記燃焼室の壁面に当たっていない青色火炎端を判定する火炎端判定手段と、
   前記判定した青色火炎端を用いて火炎表面積を算出する表面積算出手段と、
   を備えていることを特徴とする火炎表面積計測装置。

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