JPH0648238B2 - 噴射燃料の平均粒径計測装置 - Google Patents
噴射燃料の平均粒径計測装置Info
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- JPH0648238B2 JPH0648238B2 JP61114821A JP11482186A JPH0648238B2 JP H0648238 B2 JPH0648238 B2 JP H0648238B2 JP 61114821 A JP61114821 A JP 61114821A JP 11482186 A JP11482186 A JP 11482186A JP H0648238 B2 JPH0648238 B2 JP H0648238B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は噴射燃料の平均粒径計測装置に関する。
ディーゼル機関においては燃料噴射弁から噴射された燃
料の粒径が燃焼に大きな影響を与え、従ってディーゼル
機関の燃焼を解析するためには噴射燃料の粒径を知る必
要がある。噴射燃料の粒径を調べるために従来では例え
ば噴射された燃料の微粒子をガラス板表面に塗布した捕
獲液内に捕獲し、次いで顕微鏡写真を撮った後にこれら
微粒子の一個一個について粒径を調べることにより全噴
射燃料の微粒子の粒径分布を調べるようにしている。
料の粒径が燃焼に大きな影響を与え、従ってディーゼル
機関の燃焼を解析するためには噴射燃料の粒径を知る必
要がある。噴射燃料の粒径を調べるために従来では例え
ば噴射された燃料の微粒子をガラス板表面に塗布した捕
獲液内に捕獲し、次いで顕微鏡写真を撮った後にこれら
微粒子の一個一個について粒径を調べることにより全噴
射燃料の微粒子の粒径分布を調べるようにしている。
しかしながらこのように一個一個の微粒子の粒径を調べ
ることはかなりの手間を要するばかりでなく噴射された
瞬間の微粒子の粒径を調べることができないという問題
がある。また、この方法によれば粒径分布を知ることが
できるが最も知りたいのは平均粒径であり、また粒径分
布曲線は予め予想がつくので平均粒径を知ることができ
れば十分である。
ることはかなりの手間を要するばかりでなく噴射された
瞬間の微粒子の粒径を調べることができないという問題
がある。また、この方法によれば粒径分布を知ることが
できるが最も知りたいのは平均粒径であり、また粒径分
布曲線は予め予想がつくので平均粒径を知ることができ
れば十分である。
光源と、光源から出た光を平行光線に変換する手段と、
平行光線の光路内に計測すべき全燃料を噴射する燃料噴
射装置と、燃料噴射装置から燃料が噴射されたときに光
源から瞬間的に光を放出させる手段と、光源から瞬間的
に光が放出されたときまでに燃料噴射装置から噴射され
た全燃料噴射量を求める手段と、光源から瞬間的に光が
放出されたときにそれまでに噴射された全噴射燃料の全
燃料粒子の通過光を受光するイメージセンサと、イメー
ジセンサの出力信号に基いて燃料粒子を通過しない光の
強度Ioと燃料粒子の通過光の強度Iとからイメージセ
ンサ上における燃料粒子通過光の到達領域全体に亘る燃
料粒子通過光の対数減衰量(lnIo-lnI)の総和を求めて
この減衰量の総和と燃料噴射量から平均粒径を計算する
計算手段とを具備している。
平行光線の光路内に計測すべき全燃料を噴射する燃料噴
射装置と、燃料噴射装置から燃料が噴射されたときに光
源から瞬間的に光を放出させる手段と、光源から瞬間的
に光が放出されたときまでに燃料噴射装置から噴射され
た全燃料噴射量を求める手段と、光源から瞬間的に光が
放出されたときにそれまでに噴射された全噴射燃料の全
燃料粒子の通過光を受光するイメージセンサと、イメー
ジセンサの出力信号に基いて燃料粒子を通過しない光の
強度Ioと燃料粒子の通過光の強度Iとからイメージセ
ンサ上における燃料粒子通過光の到達領域全体に亘る燃
料粒子通過光の対数減衰量(lnIo-lnI)の総和を求めて
この減衰量の総和と燃料噴射量から平均粒径を計算する
計算手段とを具備している。
第1図を参照すると、その全体を符号1で示す平均粒径
計測装置は高圧容器2を具備する。この高圧容器2は互
いに平行をなす一対の透明ガラス板3,4を具え、これ
らガラス板3,4の間に高圧室5が形成される。高圧室
5の頂部には燃料噴射弁6が配置され、この燃料噴射弁
6から燃料7が噴射される。
計測装置は高圧容器2を具備する。この高圧容器2は互
いに平行をなす一対の透明ガラス板3,4を具え、これ
らガラス板3,4の間に高圧室5が形成される。高圧室
5の頂部には燃料噴射弁6が配置され、この燃料噴射弁
6から燃料7が噴射される。
一方、高圧容器2の一側には光源8、集光レンズ9、ピ
ンホール10を具えたスクリーン11および凸レンズ1
2が配置され、高圧容器2の他側には凸レンズ13、開
孔14を具えたスクリーン15およびイメージセンサ1
6が配置される。光源8としてはパルスレーザが適して
おり、レーザとしてはルビーレーザを使用することがで
きる。なお、パルスレーザの代りにフラッシュを用いる
こともできるがこの場合にはイメージセンサ16の前に
一定の波長の光のみを通過せしめるフィルタを挿入する
必要がある。光源8から出た光は集光レンズ9により集
光された後にピンホール10を通り、次いで開拡しなが
ら凸レンズ12に向かう。次いでこの光は凸レンズ12
により平行光線とされ、この平行光線はガラス板3、高
圧室5およびガラス板4を通って凸レンズ13に向か
う。次いでこの平行光線は凸レンズ13により集光さ
れ、この集光された光線は開孔14を通ってイメージセ
ンサ16に達する。イメージセンサ16は平面内におい
て格子状に配列された例えば400×500個程度の多数の画
素を有し、高圧容器2を通過した各点における光の強度
が対応する画素により検出される。イメージセンサ16
としては例えばCCD型(Charge Coupled Device)カ
メラを使用することができる。光源8は極めて短かい時
間、光線を出し、このときに各画素により検出された光
の強度はフレームメモリ17に送り込まれてフレームメ
モリ17に記憶される。フレームメモリ17内に記憶さ
れた光の強度は電子制御ユニット18に供給されて処理
される。電子制御ユニット18はディジタルコンピュー
タからなり、双方向性バス19によって相互に接続され
たROM(リードオンメモリ)20、RAM(ランダム
アクセスメモリ)21、CPU(マイクロプロセッサ)
22、入力ポート23および出力ポート24を具備す
る。フレームメモリ17は入力ポート23に接続され
る。また、燃料噴射弁6は燃料噴射圧を検出するための
圧力センサ25と、ニードルのリフト量を検出するため
のニードルリフトセンサ26とを具備し、これら圧力セ
ンサ25およびニードルリフトセンサ26は夫々対応す
るAD変換器27,28を介して入力ポート23に接続
される。一方、出力ポート24は適当な表示装置29に
接続される。
ンホール10を具えたスクリーン11および凸レンズ1
2が配置され、高圧容器2の他側には凸レンズ13、開
孔14を具えたスクリーン15およびイメージセンサ1
6が配置される。光源8としてはパルスレーザが適して
おり、レーザとしてはルビーレーザを使用することがで
きる。なお、パルスレーザの代りにフラッシュを用いる
こともできるがこの場合にはイメージセンサ16の前に
一定の波長の光のみを通過せしめるフィルタを挿入する
必要がある。光源8から出た光は集光レンズ9により集
光された後にピンホール10を通り、次いで開拡しなが
ら凸レンズ12に向かう。次いでこの光は凸レンズ12
により平行光線とされ、この平行光線はガラス板3、高
圧室5およびガラス板4を通って凸レンズ13に向か
う。次いでこの平行光線は凸レンズ13により集光さ
れ、この集光された光線は開孔14を通ってイメージセ
ンサ16に達する。イメージセンサ16は平面内におい
て格子状に配列された例えば400×500個程度の多数の画
素を有し、高圧容器2を通過した各点における光の強度
が対応する画素により検出される。イメージセンサ16
としては例えばCCD型(Charge Coupled Device)カ
メラを使用することができる。光源8は極めて短かい時
間、光線を出し、このときに各画素により検出された光
の強度はフレームメモリ17に送り込まれてフレームメ
モリ17に記憶される。フレームメモリ17内に記憶さ
れた光の強度は電子制御ユニット18に供給されて処理
される。電子制御ユニット18はディジタルコンピュー
タからなり、双方向性バス19によって相互に接続され
たROM(リードオンメモリ)20、RAM(ランダム
アクセスメモリ)21、CPU(マイクロプロセッサ)
22、入力ポート23および出力ポート24を具備す
る。フレームメモリ17は入力ポート23に接続され
る。また、燃料噴射弁6は燃料噴射圧を検出するための
圧力センサ25と、ニードルのリフト量を検出するため
のニードルリフトセンサ26とを具備し、これら圧力セ
ンサ25およびニードルリフトセンサ26は夫々対応す
るAD変換器27,28を介して入力ポート23に接続
される。一方、出力ポート24は適当な表示装置29に
接続される。
第2図は平均粒径計測装置1の別の実施例を示す。この
実施例では第1図の凸レンズ12に代えて凹面鏡12′
が用いられていると共に第1図の凸レンズ13に代えて
凹面鏡13′が用いられおり、その他の点については基
本的に第1図に示す実施例と変りはない。
実施例では第1図の凸レンズ12に代えて凹面鏡12′
が用いられていると共に第1図の凸レンズ13に代えて
凹面鏡13′が用いられおり、その他の点については基
本的に第1図に示す実施例と変りはない。
次にまず始めに本発明を概念的に説明する。噴霧燃焼で
は燃焼特性が燃料粒子の体積Vに対する燃料粒子の表面
積Sの大小によって左右されるので、燃焼を解析にする
に当っては比表面積S/Vが重量な因子となる。これを
燃料粒子全体について考えると 全燃料粒子の体積の総和は 全燃料粒子の表面積の総和は ここでxiは燃料粒子の直径、Δniは直径がxiであ
る燃料粒子の個数、は平均粒径、nは燃料粒子の総数
である。
は燃焼特性が燃料粒子の体積Vに対する燃料粒子の表面
積Sの大小によって左右されるので、燃焼を解析にする
に当っては比表面積S/Vが重量な因子となる。これを
燃料粒子全体について考えると 全燃料粒子の体積の総和は 全燃料粒子の表面積の総和は ここでxiは燃料粒子の直径、Δniは直径がxiであ
る燃料粒子の個数、は平均粒径、nは燃料粒子の総数
である。
(1)式の両辺を(2)式で割ると このがいわゆるザウター平均粒径と称され、 以下このを32と表わす。
(3)式からわかるように は燃料粒子の体積の総和を表わしており、これは燃料噴
射量を計測することによって容易に求められる。
射量を計測することによって容易に求められる。
一方、燃料粒子群に光線を照射すると燃料粒子を通過し
た光は減衰するから燃料粒子群を通過した光線をスクリ
ーン上に当てると燃料粒子を通過した光はスクリーン上
で影となる。単純に考えた場合、この影の面積は燃料粒
子の断面積に一致しており、従って影の総面積は全燃料
粒子の断面積の総和に一致する。ところが(3)式におい
て は全燃料粒子の断面積の総和を示しており、従って影の
総面積を計測すれば が求まることになる。従って燃料噴射量を計測しかつ影
の総面積を計測することによって(3)式から平均粒径が
求められる。
た光は減衰するから燃料粒子群を通過した光線をスクリ
ーン上に当てると燃料粒子を通過した光はスクリーン上
で影となる。単純に考えた場合、この影の面積は燃料粒
子の断面積に一致しており、従って影の総面積は全燃料
粒子の断面積の総和に一致する。ところが(3)式におい
て は全燃料粒子の断面積の総和を示しており、従って影の
総面積を計測すれば が求まることになる。従って燃料噴射量を計測しかつ影
の総面積を計測することによって(3)式から平均粒径が
求められる。
このように本発明は燃料粒子群によって形成される影か
ら平均粒径を求めるようにしたものである。しかしなが
ら燃料粒子の断面積と影との関係は上述したような単純
なものではなく、影の総面積からただちに平均粒径が求
められるものではない。しかしながら燃料粒子の断面積
と影との間に何らかに関係があれば影を計測することに
よって平均粒径を求めることができる。しかも燃料粒子
群によって形成される影については電気的にただちに検
出できるので極めて有効である。
ら平均粒径を求めるようにしたものである。しかしなが
ら燃料粒子の断面積と影との関係は上述したような単純
なものではなく、影の総面積からただちに平均粒径が求
められるものではない。しかしながら燃料粒子の断面積
と影との間に何らかに関係があれば影を計測することに
よって平均粒径を求めることができる。しかも燃料粒子
群によって形成される影については電気的にただちに検
出できるので極めて有効である。
そこで本発明者は燃料粒子の断面積と影の物理的意味を
追究してそれらの関係を見い出し、それによって瞬時に
して平均粒径を計測しうるようにしたのである。
追究してそれらの関係を見い出し、それによって瞬時に
して平均粒径を計測しうるようにしたのである。
そこで次に燃料粒子の断面積と影との関係をまず始めに
説明し、次いで影から平均粒径を求める方法について説
明する。
説明し、次いで影から平均粒径を求める方法について説
明する。
第3図に示されるように断面積Aの平行光線内に1個の
燃料粒子Pが浮遊しているとこの粒子により一部の光は
減衰されて燃料粒子の後方に影が生じる。断面積Aを通
過する光のエネルギの総和をIoとした場合において断
面積A′を通過する光のエネルギIがI=Io(A−Ce
xt)になった場合、このCextを減衰断面積と称する。こ
の減衰断面積は燃料粒子によって形成される影を全く光
が通らない影に換算した場合の影の断面積に相当する。
燃料粒子Pが浮遊しているとこの粒子により一部の光は
減衰されて燃料粒子の後方に影が生じる。断面積Aを通
過する光のエネルギの総和をIoとした場合において断
面積A′を通過する光のエネルギIがI=Io(A−Ce
xt)になった場合、このCextを減衰断面積と称する。こ
の減衰断面積は燃料粒子によって形成される影を全く光
が通らない影に換算した場合の影の断面積に相当する。
ところで燃料粒子の断面積は(π/4)xi2であり、こ
れを光学断面積とする減衰断面積Cextは光学断面積を用
いて次のように表わされる。
れを光学断面積とする減衰断面積Cextは光学断面積を用
いて次のように表わされる。
Cext=Qext・(π/4)xi2 ここで、Qextは減衰係数と称される。
光線中に物体が存在する場合には光は吸収および散乱に
よって減衰するが燃料は一般に非導電体であるので燃料
粒子は光、即ち電磁波を吸収せず、従って散乱のみを生
ずる。従って燃料粒子については減衰係数Qextは散乱係
数と同一になる。
よって減衰するが燃料は一般に非導電体であるので燃料
粒子は光、即ち電磁波を吸収せず、従って散乱のみを生
ずる。従って燃料粒子については減衰係数Qextは散乱係
数と同一になる。
ところで散乱係数は粒子パラメータαi(=πxi/
λ,ここでλは光の波長)と粒子の屈折率mの関数であ
り、Mieの理論から厳密に導びかれる。第4図は燃料と
してノルマルトリデカンC13H28(m=1.413)を用い、波
長λ=0.6328μmの光を用いた場合の厳密解を示してい
る。α→∞でQextが2.0に近づくことがわかる。αが小
さな場合を除いてαは2.0程度であり、一方減衰断面積
は上述したようにCext=Qext・(π/4)xi2で表わさ
れるので減衰断面積Cextは光学断面積(π/4)xi2の
ほぼ2倍となることがわかる。
λ,ここでλは光の波長)と粒子の屈折率mの関数であ
り、Mieの理論から厳密に導びかれる。第4図は燃料と
してノルマルトリデカンC13H28(m=1.413)を用い、波
長λ=0.6328μmの光を用いた場合の厳密解を示してい
る。α→∞でQextが2.0に近づくことがわかる。αが小
さな場合を除いてαは2.0程度であり、一方減衰断面積
は上述したようにCext=Qext・(π/4)xi2で表わさ
れるので減衰断面積Cextは光学断面積(π/4)xi2の
ほぼ2倍となることがわかる。
ところで減衰係数Qextは平行光線の減衰を意味している
ので減衰係数Qextが厳密解と一致するのは開孔14(第
1図および第2図)内を平行光線のみが通過する場合で
ある。開孔14の径が大きくなると平行光線に対して傾
斜した散乱光も開孔14内を通過するので影の面積が小
さくなり、減衰係数Qextはみかけ上小さくなる。第5図
に示されるように平行光線の光軸に対して角度θだけ傾
いた散乱光が開孔14内を通過し、散乱光が角度θ以上
であれば開孔14を通過しない場合にこの角度θを検出
半角を称する。即ち、開孔14の径が大きくなれば検出
半角θが大きくなり、減衰係数Qextはみかけ上小さくな
る。また、光の波長、燃料粒子の径の大きさおよび屈折
率によって各方向へ散乱する光のエネルギが変化し、従
って散乱光が開孔14を通過してもこの散乱光のエネル
ギは光の波長、燃料粒子の径の大きさおよび屈折率によ
って変化する。開孔14を通過する散乱光のエネルギが
大きくなれば減衰係数Qextはみかけ上小さくなる。ここ
で減衰係数Qextの減少率を補正係数Rで表わすとみかけ
の減衰係数はR・Qextとなり、補正係数Rは検出半角
θ、光の波長λ、燃料粒子の径xi、燃料粒子の屈折率
mの関数となる。光の波長λと燃料粒子の径xiを粒子
パラメータαi(=πxi/λ)で代表すると、粒子パ
ラメータαiおよび屈折率mに対する散乱パターンはMi
eの理論により厳密に求められる。燃料の種類が定まれ
ば屈折率mが定まるので燃料が定まれば結局補正係数R
は検出半角θおよび粒子パラメータαiの関数となる。
粒子パラメータαiを一定とした場合の補正係数Rと検
出半角θとの関数を第6図に示す。第6図からわかるよ
うに検出半角θが大きくなると補正係数Rは0.5に近づ
く。
ので減衰係数Qextが厳密解と一致するのは開孔14(第
1図および第2図)内を平行光線のみが通過する場合で
ある。開孔14の径が大きくなると平行光線に対して傾
斜した散乱光も開孔14内を通過するので影の面積が小
さくなり、減衰係数Qextはみかけ上小さくなる。第5図
に示されるように平行光線の光軸に対して角度θだけ傾
いた散乱光が開孔14内を通過し、散乱光が角度θ以上
であれば開孔14を通過しない場合にこの角度θを検出
半角を称する。即ち、開孔14の径が大きくなれば検出
半角θが大きくなり、減衰係数Qextはみかけ上小さくな
る。また、光の波長、燃料粒子の径の大きさおよび屈折
率によって各方向へ散乱する光のエネルギが変化し、従
って散乱光が開孔14を通過してもこの散乱光のエネル
ギは光の波長、燃料粒子の径の大きさおよび屈折率によ
って変化する。開孔14を通過する散乱光のエネルギが
大きくなれば減衰係数Qextはみかけ上小さくなる。ここ
で減衰係数Qextの減少率を補正係数Rで表わすとみかけ
の減衰係数はR・Qextとなり、補正係数Rは検出半角
θ、光の波長λ、燃料粒子の径xi、燃料粒子の屈折率
mの関数となる。光の波長λと燃料粒子の径xiを粒子
パラメータαi(=πxi/λ)で代表すると、粒子パ
ラメータαiおよび屈折率mに対する散乱パターンはMi
eの理論により厳密に求められる。燃料の種類が定まれ
ば屈折率mが定まるので燃料が定まれば結局補正係数R
は検出半角θおよび粒子パラメータαiの関数となる。
粒子パラメータαiを一定とした場合の補正係数Rと検
出半角θとの関数を第6図に示す。第6図からわかるよ
うに検出半角θが大きくなると補正係数Rは0.5に近づ
く。
前述したように減衰係数Qextは粒子パラメータαiと粒
子の屈折率mの関数である。また補正係数Rは粒子パラ
メータαiと、粒子の屈折率mと、検出半角θとの関数
である。燃料が定まれば屈曲率mが定まるので燃料が定
まれば減衰係数Qextは粒子パラメータαiのみの関数と
なり、補正係数Rは粒子パラメータαiおよび検出半角
θのみの関数となる。従ってこの場合、みかけの減衰係
数R・QextはR(αi,θ),Qext(αi)と表わされ
る。
子の屈折率mの関数である。また補正係数Rは粒子パラ
メータαiと、粒子の屈折率mと、検出半角θとの関数
である。燃料が定まれば屈曲率mが定まるので燃料が定
まれば減衰係数Qextは粒子パラメータαiのみの関数と
なり、補正係数Rは粒子パラメータαiおよび検出半角
θのみの関数となる。従ってこの場合、みかけの減衰係
数R・QextはR(αi,θ),Qext(αi)と表わされ
る。
前述したように燃料粒子一個に対する減衰断面積はCext
=Qext・(π/4)xi2で表わされるから燃料粒子一個
に対する減衰断面積CextをR(αi,θ),Qext(α
i)で表わすと次のようになる。
=Qext・(π/4)xi2で表わされるから燃料粒子一個
に対する減衰断面積CextをR(αi,θ),Qext(α
i)で表わすと次のようになる。
Cext=R(αi,θ)・Qext(αi)・(π/4)xi2
従って全燃料粒子に対する減衰断面積Cextの総和Afは
次のように表わされる。
従って全燃料粒子に対する減衰断面積Cextの総和Afは
次のように表わされる。
(4)式は種々の粒径の燃料粒子が混在している場合の減
衰断面積の総和Afを示している。(4)式において粒子
パラメータαiは光の波長λおよび粒径xiの関数であ
り、検出半角θは開孔14(第5図)の径によって定ま
るから光の波長λおよび開孔14の径が定まれば減衰断
面積の総和Afは粒子の粒径xiと、粒径xiである粒
子の個数との関数となる。従って減衰断面積の総和Af
を計測することができ、粒子の全個数と粒度分布がわか
れば粒径xiの粒子が何個あるかがわかり、従って平均
粒径を求めることができる。しかしながら噴射燃料の粒
子の全個数と粒度分布は不明であるからたとえ減衰断面
積の総和Afを計測することができたとしてもただちに
平均粒径を求めることができない。
衰断面積の総和Afを示している。(4)式において粒子
パラメータαiは光の波長λおよび粒径xiの関数であ
り、検出半角θは開孔14(第5図)の径によって定ま
るから光の波長λおよび開孔14の径が定まれば減衰断
面積の総和Afは粒子の粒径xiと、粒径xiである粒
子の個数との関数となる。従って減衰断面積の総和Af
を計測することができ、粒子の全個数と粒度分布がわか
れば粒径xiの粒子が何個あるかがわかり、従って平均
粒径を求めることができる。しかしながら噴射燃料の粒
子の全個数と粒度分布は不明であるからたとえ減衰断面
積の総和Afを計測することができたとしてもただちに
平均粒径を求めることができない。
上述したように噴射燃料の粒子の全個数と粒度分布は不
明であるが燃料噴射弁から噴射された燃料の粒度分布に
ついては一定性があることが知られる。このような粒度
分布を表わす式として以下に示す抜山−棚沢の分布曲線
が知られている。
明であるが燃料噴射弁から噴射された燃料の粒度分布に
ついては一定性があることが知られる。このような粒度
分布を表わす式として以下に示す抜山−棚沢の分布曲線
が知られている。
f(y)=Ayαexp(−Byβ……(5) ただし、y=xi/i32(i32は平均粒径) A,B,α,βは定数 (5)式で表わされる分布曲線を第7図に示す。
f(y)は全粒子巾において粒径がyである粒子が占め
る割合を示している。
る割合を示している。
このように(5)式から粒度分布を知ることができ、従っ
て不明なのは粒子の全個数である。そこで夫々粒径の異
なる各粒子に対する平均的なみかけの減衰係数R(32
θ)・Qext(32)を考え、光は各粒子についてこのみ
かけの減衰係数に従って減衰するものとする。ここで
32は平均粒径32に対するパラメータである。
て不明なのは粒子の全個数である。そこで夫々粒径の異
なる各粒子に対する平均的なみかけの減衰係数R(32
θ)・Qext(32)を考え、光は各粒子についてこのみ
かけの減衰係数に従って減衰するものとする。ここで
32は平均粒径32に対するパラメータである。
このように考えると減衰断面積の総和Afで次式で表わ
されることになる。
されることになる。
(6)式において平均粒径32が決まったとすると(6)式は
次のようになる。
次のようになる。
ところでこの(7)式のAfは(4)式のAfに一致するから
(4)式および(7)式からAfを消去すると次のようにな
る。
(4)式および(7)式からAfを消去すると次のようにな
る。
(8)式のΔniは分母、分子の双方に含まれているから
粒子の実際の個数ではなく、このΔniは粒径xiの粒
子が存在する割合で表わせばよい。従って平均粒径32
が決まったとすると(5)式或いは第7図からΔniが求
まることになる。従って(5)式或いは第7図を用いて(8)
式から平均粒径32に対する粒子パラメータ32とみか
けの減衰係数R(32θ)・Qext(32θ)との関係が
検出半角θの関数として求まることになる。この関数を
第8図に示す。即ち、平均粒径32が決まり、検出半角
θが決まれば第8図からただちにみかけの減衰係数R
(32θ)・Qext(32θ)が定まることになる。
粒子の実際の個数ではなく、このΔniは粒径xiの粒
子が存在する割合で表わせばよい。従って平均粒径32
が決まったとすると(5)式或いは第7図からΔniが求
まることになる。従って(5)式或いは第7図を用いて(8)
式から平均粒径32に対する粒子パラメータ32とみか
けの減衰係数R(32θ)・Qext(32θ)との関係が
検出半角θの関数として求まることになる。この関数を
第8図に示す。即ち、平均粒径32が決まり、検出半角
θが決まれば第8図からただちにみかけの減衰係数R
(32θ)・Qext(32θ)が定まることになる。
一方、燃料噴射弁6(第1図および第2図)から噴射さ
れた燃料の質量Mfは次式のように表わされる。
れた燃料の質量Mfは次式のように表わされる。
ここでρfは燃料の密度である。
(7)式,(9)式を(3)式に代入して および を消去し、更に32=π32/λの関係を用いると次式
が得られる。32 =(π/λ)・(3/2)・{R(32θ)・Qext(32) /ρf}・(Mf/Af)……(10) (10)式において光線8が定まれば光の波長λが定まり、
燃料が定まれば燃料の密度ρfが定まり、開孔14の径
が定まれば検出半角が定まる。従って噴射燃料の質量M
fと減衰断面積の総和Afを計測できればまず始めに
32を仮定することにより第8図からR(32θ)・Qext
(32)を求め、次いで(10)式から粒子パラメータ32
を求めることができる。(10)式から求めた32が仮定し
た32と異なる場合には32を再び仮定して(10)式から
32を求める。仮定した32と(10)式から求められた
32とが一致するまでこれを繰返すことによって正しい
32が求められ、従って平均粒径32が求まる。実際には
R(32θ)・Qext(32)の値は32が多少変化して
もさほど変化せず、従って32はMf/Afの値によっ
て定まることになる。
が得られる。32 =(π/λ)・(3/2)・{R(32θ)・Qext(32) /ρf}・(Mf/Af)……(10) (10)式において光線8が定まれば光の波長λが定まり、
燃料が定まれば燃料の密度ρfが定まり、開孔14の径
が定まれば検出半角が定まる。従って噴射燃料の質量M
fと減衰断面積の総和Afを計測できればまず始めに
32を仮定することにより第8図からR(32θ)・Qext
(32)を求め、次いで(10)式から粒子パラメータ32
を求めることができる。(10)式から求めた32が仮定し
た32と異なる場合には32を再び仮定して(10)式から
32を求める。仮定した32と(10)式から求められた
32とが一致するまでこれを繰返すことによって正しい
32が求められ、従って平均粒径32が求まる。実際には
R(32θ)・Qext(32)の値は32が多少変化して
もさほど変化せず、従って32はMf/Afの値によっ
て定まることになる。
上述したように平均粒径32は噴射燃料の質量Mfおよ
び減衰断面積の総和Afが計測できれば(10)式から求ま
ることになる。そこで次にこれらMfおよびAfの求め
方について説明する。
び減衰断面積の総和Afが計測できれば(10)式から求ま
ることになる。そこで次にこれらMfおよびAfの求め
方について説明する。
まず始めにMfについて考えると噴射燃料の質量Mfは
予め求めておくこともできるし、また粒径の計測時に計
算することもできる。いずれの方法にせよ燃料噴射弁の
ニードルが開弁したときから一定時間経過するときまで
の燃料噴射量は燃料噴射率を表わす曲線から求めること
ができる。粒径の計測と同時に噴射量を計測する場合
は、第1図および第2図に示すように燃料噴射弁6に取
付けた噴射圧力計25とニードルリフトセンサ26の出
力信号から燃料噴射率、即ち噴射燃料の質量Mfを計算
することができる。なお、一回の噴射が完了した直後の
粒径を計測する場合には一回の噴射によって噴射される
燃料の量は予め容易に計測することができるので特にニ
ードルリフトセンサ26を取付けなくても噴射燃料の質
量Mfを計算することができる。従って第1図および第
2図に示すようにニードルリフトセンサ26および燃料
噴射圧力センサ25を燃料噴射弁6に取付けておけば燃
料噴射時にこれらセンサの出力信号から噴射燃料の質量
Mfを計算することができる。このように噴射燃料の質
量Mfについては種々の求め方がある。
予め求めておくこともできるし、また粒径の計測時に計
算することもできる。いずれの方法にせよ燃料噴射弁の
ニードルが開弁したときから一定時間経過するときまで
の燃料噴射量は燃料噴射率を表わす曲線から求めること
ができる。粒径の計測と同時に噴射量を計測する場合
は、第1図および第2図に示すように燃料噴射弁6に取
付けた噴射圧力計25とニードルリフトセンサ26の出
力信号から燃料噴射率、即ち噴射燃料の質量Mfを計算
することができる。なお、一回の噴射が完了した直後の
粒径を計測する場合には一回の噴射によって噴射される
燃料の量は予め容易に計測することができるので特にニ
ードルリフトセンサ26を取付けなくても噴射燃料の質
量Mfを計算することができる。従って第1図および第
2図に示すようにニードルリフトセンサ26および燃料
噴射圧力センサ25を燃料噴射弁6に取付けておけば燃
料噴射時にこれらセンサの出力信号から噴射燃料の質量
Mfを計算することができる。このように噴射燃料の質
量Mfについては種々の求め方がある。
次に減衰断面積Cextの総和Afの求め方について説明す
る。減衰断面積Cextの総和Afが大きくなればそれだけ
粒子群を通過する光の強度が弱まるので粒子群を通過し
た光の強度を計測すれば減衰断面積Cextの総和Afが求
まることになる。そのためにイメージセンサ16が使用
される。イメージセンサ16は多数を画素を平面的に配
置したスクリーンを有し、このスクリーン上に燃料噴霧
の投影像が結像され、各画素が受光した光の強度に応じ
た出力電圧を発生する。従ってイメージセンサ16の出
力電圧から減衰断面積Cextの総和Afが求められること
になる。
る。減衰断面積Cextの総和Afが大きくなればそれだけ
粒子群を通過する光の強度が弱まるので粒子群を通過し
た光の強度を計測すれば減衰断面積Cextの総和Afが求
まることになる。そのためにイメージセンサ16が使用
される。イメージセンサ16は多数を画素を平面的に配
置したスクリーンを有し、このスクリーン上に燃料噴霧
の投影像が結像され、各画素が受光した光の強度に応じ
た出力電圧を発生する。従ってイメージセンサ16の出
力電圧から減衰断面積Cextの総和Afが求められること
になる。
ところで単位断面積当りの減衰断面積を考え、これをa
fとするとこのafは光の強度の減衰率を示すことにな
る。従って粒子群への入射光の強度をIo、粒子群を通
過した光の強度をIとすると単位断面積当りの通過光の
強度Iの減少量、即ち(Io−I)はafIoに一致し、従
ってaf=(Io−I)/Ioになるものと一見考えら
れる。即ち、減衰しなかった光Ioと減衰した光Iとの
差をイメージセンサ16によって検出すれば単位断面積
当りの減衰断面積afを求めることができ、従って減衰
断面積Cextの総和Afを求めることができるように考え
られる。このように(Io−I)がafIoに一致するとい
うのはイメージセンサ16によって感知される光の減少
量が個々の粒子による光の減衰量の単なる総和であるこ
とを意味している。
fとするとこのafは光の強度の減衰率を示すことにな
る。従って粒子群への入射光の強度をIo、粒子群を通
過した光の強度をIとすると単位断面積当りの通過光の
強度Iの減少量、即ち(Io−I)はafIoに一致し、従
ってaf=(Io−I)/Ioになるものと一見考えら
れる。即ち、減衰しなかった光Ioと減衰した光Iとの
差をイメージセンサ16によって検出すれば単位断面積
当りの減衰断面積afを求めることができ、従って減衰
断面積Cextの総和Afを求めることができるように考え
られる。このように(Io−I)がafIoに一致するとい
うのはイメージセンサ16によって感知される光の減少
量が個々の粒子による光の減衰量の単なる総和であるこ
とを意味している。
しかしながらアトランダムに浮遊する多数の粒子群を通
過した光の減衰量は個々の粒子による光の減衰量を単な
る総和ではなく、次に示すBouguer-Lambert-Beerの法則
に従って減衰する。
過した光の減衰量は個々の粒子による光の減衰量を単な
る総和ではなく、次に示すBouguer-Lambert-Beerの法則
に従って減衰する。
dI/I=−Cext N dL……(11) ここでIは粒子群を通過した光の強度、Cextは減衰断面
積、Nは単位体積当りの粒子個数、dIは光が距離dL
を通過したときの光の強度の減衰量を示している。
積、Nは単位体積当りの粒子個数、dIは光が距離dL
を通過したときの光の強度の減衰量を示している。
従って粒子の存在する距離Lを光が通過したときに光の
強度がIoからIまで減衰したとすると(11)式の両辺を
積分することにより次式が得られる。
強度がIoからIまで減衰したとすると(11)式の両辺を
積分することにより次式が得られる。
lnIo−lnI=Cext・N・L……(12) 又はI/Io=exp(−Cext・N・L) ここでCext・N・Lは本発明におけるafに相当し、従
って、αf=lnIo−lnIとなる。従って単位断面
積当りの減衰断面積αfは入射光と通過光との単なる差
(Io−I)に比例するのではなく、それらの対数の差
によって表わされることがわかる。第9図はイメージセ
ンサ16のスクリーン上に結像された噴霧パターンZ
(X−Y平面上)と、通過光の減衰量(lnIo−ln
I)との関係を図解的に示している。従って次式に示す
ように噴霧パターンZの全領域に亘ってlnIo−ln
Iを積分すれば減衰断面積の総和Afが求められること
になる。
って、αf=lnIo−lnIとなる。従って単位断面
積当りの減衰断面積αfは入射光と通過光との単なる差
(Io−I)に比例するのではなく、それらの対数の差
によって表わされることがわかる。第9図はイメージセ
ンサ16のスクリーン上に結像された噴霧パターンZ
(X−Y平面上)と、通過光の減衰量(lnIo−ln
I)との関係を図解的に示している。従って次式に示す
ように噴霧パターンZの全領域に亘ってlnIo−ln
Iを積分すれば減衰断面積の総和Afが求められること
になる。
Af=xyafdxdy=xy(lnIo−lnI)dxdy……(13) イメージセンサ16では入射光Ioおよび通過光Iの双
方を検出しうる。この検出結果はフレームメモリ17内
に一時的に記憶され、次いで電子制御ユニット18によ
り(13)式に基づいてAfが計算される。このAfの計算
のしかたについては次の2つの方法が考えられる。一つ
の方法は燃料噴射を行なう前に光源8を発光させ、この
ときのIoをフレームメモリ17に記憶する。次いで燃
料噴射したときに再び光源8を発光させてこのときのI
をフレームメモリ17に記憶する。次いで第9図のX−
Y平面の各点について順次(lnIo−lnI)を計算
し、次いでこれらを全て加算することによってAfを求
めることができる。もう一つの方法は燃料噴射をしたと
きのみ光源8を発光させてこのときのIをフレームメモ
リ17に記憶する。このとき第9図のX−Y平面におい
て噴射パターンZ以外の領域はIoがフレームメモリ1
7内に記憶されている。従ってIoが記憶されているフ
レームメモリ17の数点からIoを読み出してこれらの
平均値を計算し、この平均値をIoとする。次いで第9
図のX−Y平面の各点について順次(lnIo−ln
I)を計算し、次いでこれらを全て加算することによっ
てAfを求めることができる。
方を検出しうる。この検出結果はフレームメモリ17内
に一時的に記憶され、次いで電子制御ユニット18によ
り(13)式に基づいてAfが計算される。このAfの計算
のしかたについては次の2つの方法が考えられる。一つ
の方法は燃料噴射を行なう前に光源8を発光させ、この
ときのIoをフレームメモリ17に記憶する。次いで燃
料噴射したときに再び光源8を発光させてこのときのI
をフレームメモリ17に記憶する。次いで第9図のX−
Y平面の各点について順次(lnIo−lnI)を計算
し、次いでこれらを全て加算することによってAfを求
めることができる。もう一つの方法は燃料噴射をしたと
きのみ光源8を発光させてこのときのIをフレームメモ
リ17に記憶する。このとき第9図のX−Y平面におい
て噴射パターンZ以外の領域はIoがフレームメモリ1
7内に記憶されている。従ってIoが記憶されているフ
レームメモリ17の数点からIoを読み出してこれらの
平均値を計算し、この平均値をIoとする。次いで第9
図のX−Y平面の各点について順次(lnIo−ln
I)を計算し、次いでこれらを全て加算することによっ
てAfを求めることができる。
上述したようにAfを求めることができ、また前述した
ようにMfを求めることができるので(10)式から32を
求めることができ、斯くして平均粒径32を求めること
ができる。
ようにMfを求めることができるので(10)式から32を
求めることができ、斯くして平均粒径32を求めること
ができる。
次に燃料噴射弁6の燃料噴射量を予め求めておき、噴射
前に光源8を一度発光させ、次いで噴射完了後に再度光
源8を発光させて噴射完了直後の粒径を計測する場合を
例にとって平均粒径を計測する方法を第10図を参照し
つつ説明する。
前に光源8を一度発光させ、次いで噴射完了後に再度光
源8を発光させて噴射完了直後の粒径を計測する場合を
例にとって平均粒径を計測する方法を第10図を参照し
つつ説明する。
第10図を参照すると、まず始めにステップ30におい
て燃料噴射弁6の燃料噴射処理および光源8の発光処理
が行なわれる。即ち、まず第1に燃料噴射が行なわれる
前に光源8が発光せしめられ、このとき入射光そのもの
の強度Ioがイメージセンサ16に記憶される。このI
oを表わすデータはただちにフレームメモリ17に送り
込まれて記憶される。次いで燃料噴射弁6から燃料が噴
射され、燃料噴射期間中の任意の時刻に再び光源8が発
光せしめられるこのときイメージセンサ16に記憶され
た通過光の強度Iはただちにフレームメモリ17に送り
込まれて記憶される。次いでステップ31ではフレーム
メモリ17に記憶されたIoおよびIから減衰断面積の
総和Afが(13)式に基いて計算される。次いでステップ
32では予めRAM21内に記憶してある噴射燃料の質量
Mf、光の波長λ、噴射燃料の密度ρf、検出半角θお
よび粒子パラメータの仮定値32′を読み出す。次いで
ステップ33では与えられた検出半角θと、仮定された
32′から第8図に示す関係に基いてみかけの減衰係数
R(32′θ)・Qext(32′)が計算される。なお、
第8図に示す関係は関数式或いはデータテーブルの形で
予めROM20内に記憶されている。従ってステップ3
3ではこの記憶された関数からみかけの減衰係数が計算
される。次いでステップ34では(10)式から粒子パラメ
ータ32の第1近似値が求められる。次いでステップ3
5では第1近似値32と仮定値32′の差が一定値ε以
下であるか否かが判別される。
て燃料噴射弁6の燃料噴射処理および光源8の発光処理
が行なわれる。即ち、まず第1に燃料噴射が行なわれる
前に光源8が発光せしめられ、このとき入射光そのもの
の強度Ioがイメージセンサ16に記憶される。このI
oを表わすデータはただちにフレームメモリ17に送り
込まれて記憶される。次いで燃料噴射弁6から燃料が噴
射され、燃料噴射期間中の任意の時刻に再び光源8が発
光せしめられるこのときイメージセンサ16に記憶され
た通過光の強度Iはただちにフレームメモリ17に送り
込まれて記憶される。次いでステップ31ではフレーム
メモリ17に記憶されたIoおよびIから減衰断面積の
総和Afが(13)式に基いて計算される。次いでステップ
32では予めRAM21内に記憶してある噴射燃料の質量
Mf、光の波長λ、噴射燃料の密度ρf、検出半角θお
よび粒子パラメータの仮定値32′を読み出す。次いで
ステップ33では与えられた検出半角θと、仮定された
32′から第8図に示す関係に基いてみかけの減衰係数
R(32′θ)・Qext(32′)が計算される。なお、
第8図に示す関係は関数式或いはデータテーブルの形で
予めROM20内に記憶されている。従ってステップ3
3ではこの記憶された関数からみかけの減衰係数が計算
される。次いでステップ34では(10)式から粒子パラメ
ータ32の第1近似値が求められる。次いでステップ3
5では第1近似値32と仮定値32′の差が一定値ε以
下であるか否かが判別される。
|32−32′|≧εであればステップ36に進んで
32を32′とし、次いで32の第2近似値が求められ
る。|32−32′|<εとなるとステップ37に進ん
で32=λ32/πなる式から平均粒径32が求めら
れ、次いでステップ37において平均粒径32を示すデ
ータが表示装置29に出力されて表示される。
32を32′とし、次いで32の第2近似値が求められ
る。|32−32′|<εとなるとステップ37に進ん
で32=λ32/πなる式から平均粒径32が求めら
れ、次いでステップ37において平均粒径32を示すデ
ータが表示装置29に出力されて表示される。
本発明によれば噴射燃料の平均粒径をただちに計測する
ことができる。
ことができる。
第1図は平均粒径計測装置の第1実施例の全体図、第2
図は平均粒径計測装置の第2実施例の全体図、第3図は
単一粒子による光の減衰を説明するための図、第4図は
粒子パラメータと減衰係数の関係を示す線図、第5図は
検出半角を説明するための図、第6図は補正係数と検出
半角との関係を示す線図、第7図は燃料粒度の分布曲線
を示す線図、第8図はみかけの減衰係数を示す線図、第
9図はイメージセンサによって感知される光の減衰量を
示す図、第10図は平均粒径を求めるための一つの例を
示すフローチャートである。 1……平均粒径計測装置、2……高圧容器、 6……燃料噴射弁、8……光源、 12,13……凸レンズ、16……イメージセンサ、 17……フレームメモリ、18……電子制御ユニット。
図は平均粒径計測装置の第2実施例の全体図、第3図は
単一粒子による光の減衰を説明するための図、第4図は
粒子パラメータと減衰係数の関係を示す線図、第5図は
検出半角を説明するための図、第6図は補正係数と検出
半角との関係を示す線図、第7図は燃料粒度の分布曲線
を示す線図、第8図はみかけの減衰係数を示す線図、第
9図はイメージセンサによって感知される光の減衰量を
示す図、第10図は平均粒径を求めるための一つの例を
示すフローチャートである。 1……平均粒径計測装置、2……高圧容器、 6……燃料噴射弁、8……光源、 12,13……凸レンズ、16……イメージセンサ、 17……フレームメモリ、18……電子制御ユニット。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−90139(JP,A) 特開 昭60−15541(JP,A) 特開 昭49−126361(JP,A) 特開 昭61−17940(JP,A) 特開 昭57−61934(JP,A) 「粒度測定技術」昭和50.8.20 日刊 工業新聞社、161〜174頁光透過法
Claims (1)
- 【請求項1】光源と、該光源から出た光を平行光線に変
換する手段と、該平行光線の光路内に計測すべき全燃料
を噴射する燃料噴射装置と、該燃料噴射装置から燃料が
噴射されたときに該光源から瞬間的に光を放出させる手
段と、該光源から瞬間的に光が放出されたときまでに燃
料噴射装置から噴射された全燃料噴射量を求める手段
と、該光源から瞬間的に光が放出されたときにそれまで
に噴射された全噴射燃料の全燃料粒子の通過光を受光す
るイメージセンサと、該イメージセンサの出力信号に基
いて燃料粒子を通過しない光の強度Ioと燃料粒子の通
過光の強度Iとからイメージセンサ上における燃料粒子
通過光の到達領域全体に亘る燃料粒子通過光の対数減衰
量(InIo-InI)の総和を求めてこの減衰量の総和と上記
燃料噴射量から平均粒径を計算する計算手段とを具備し
た噴射燃料の平均粒径計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61114821A JPH0648238B2 (ja) | 1986-05-21 | 1986-05-21 | 噴射燃料の平均粒径計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61114821A JPH0648238B2 (ja) | 1986-05-21 | 1986-05-21 | 噴射燃料の平均粒径計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62273431A JPS62273431A (ja) | 1987-11-27 |
JPH0648238B2 true JPH0648238B2 (ja) | 1994-06-22 |
Family
ID=14647526
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61114821A Expired - Lifetime JPH0648238B2 (ja) | 1986-05-21 | 1986-05-21 | 噴射燃料の平均粒径計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0648238B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5859705A (en) * | 1993-05-26 | 1999-01-12 | The Dow Chemical Company | Apparatus and method for using light scattering to determine the size of particles virtually independent of refractive index |
US5610391A (en) * | 1994-08-25 | 1997-03-11 | Owens-Brockway Glass Container Inc. | Optical inspection of container finish dimensional parameters |
KR100345832B1 (ko) * | 1996-07-16 | 2002-11-11 | 기아자동차주식회사 | 연료 분사량 측정장치 |
US9116085B2 (en) | 2011-03-30 | 2015-08-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Mist testing device |
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