JPH07218236A

JPH07218236A - 液料噴霧の体積測定装置

Info

Publication number: JPH07218236A
Application number: JP6014126A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kurihara; 浩一栗原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1994-02-08
Filing date: 1994-02-08
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JP3303501B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成で三次元形状情報を獲得でき、精
度の高い体積測定ができる液料噴霧の体積測定装置を提
供する。【構成】液料噴霧４の軸に直交する複数の方向より液
料噴霧４に平行光Ｌを照射する光源１と、液料噴霧４の
反対側からこれらの平行光Ｌを同一方向に揃えて反射す
る複数の反射手段６と、この揃えられた平行光Ｌを受光
して複数方向からの液料噴霧像１２を撮像する撮像手段
８と、これらの液料噴霧像１２から液料噴霧４の立体的
輪郭を推定する輪郭推定手段２４と、この立体的輪郭に
基づいて液料噴霧の体積を計算する体積計算手段２６と
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼機関の燃料噴霧等
の液料噴霧の体積を測定する装置に係り、特に、簡単な
構成で三次元形状情報を獲得でき、精度の高い体積測定
ができる液料噴霧の体積測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼル機関或いはガソリン機関等の
燃焼機関の燃料噴射系を開発研究する過程では、この燃
料噴射系による燃料噴霧の体積を知ることが重要であ
る。燃料噴霧を直接に体積測定することはできないの
で、燃料噴霧の外観形状を観測し、この外観形状より体
積を推定することが一般的である。従来、こうした形状
からの推定による液料噴霧の体積測定には、高速度カメ
ラで撮影した写真を使用し、この写真を画像処理して液
料噴霧の形状を抽出し、この形状から体積推定を行って
いる。

【０００３】図６（ａ）は、その体積測定装置の基本的
構成を示している。図示されるように、レーザ等の光源
６１と高速度カメラ６２とを燃料噴射系６３の両側に配
置し、燃料噴霧６４の側面投影画像を写真に撮るように
構成する。高速度撮影することにより、成長する燃料噴
霧６４の時々刻々の側面形状を表す図６（ｂ）のような
写真６５が得られる。この写真６５の燃料噴霧像６６か
ら、各時点での体積を推定している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のよう
に一側面の写真から体積を推定するのは液料噴霧６４の
形状が液料噴霧６４の軸に対して概略的に軸対称である
との予見に基づいている。しかし、実際には液料噴霧の
形状は必ずしも軸対称になるとは限らない。例えば、図
７（ａ）に示されるように、ある角度だけがいびつにな
っている形状の液料噴霧７１に対し、その角度（矢印）
から見た側面は図７（ｂ）のようになるから、このよう
にして撮った写真にはいびつな部分７２が現れない。い
びつな部分７２がない場合も、ある場合も、同様に図６
（ｂ）のような写真が得られることになる。このため推
定した体積は不正確となる。このように写真という二次
元情報を用いた一側面からの観測では、液料噴霧の三次
元の形状を知ることができないので、従来は体積の正確
な測定ができなかった。

【０００５】ここで、特願昭５３−３５５５号（特開昭
５４−９６６２５号公報）の技術は、噴霧の立体的な角
度・形状の検定において、一側面からの観測による欠点
を補おうとするものである。しかし、単なる良否の判定
には十分であるが、噴射系を開発研究する過程での精密
な体積測定には不向きである。即ち、この技術は、複数
のストロボ光源を異なる方向から照射し、各方向での陰
影像の基準位置での光量を観測するものである。ストロ
ボ光源と検知部とが２以上の方向に設けられているが、
それぞれの検知部で陰影像の光量情報を得るためにはス
トロボ光源を同時に使用することができない。また、仮
に、検知部に高速度カメラを置き換えても、２以上の高
速度カメラ及びストロボ光源を一斉に作動させること
は、電気的トリガを同期させても機械的遅れ等を解消す
ることができないため、困難である。従って、２以上の
方向から得られた形状情報には必ず時間的にずれがあ
る。燃料噴霧が時々刻々成長することから、時間的にず
れがある形状情報から燃料噴霧の体積を正確に求めるこ
とはできない。また、高速度カメラは非常に高価なもの
であるから、これを複数台使用することは経済的に難し
い。

【０００６】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、簡単な構成で三次元形状情報を獲得でき、精度の高
い体積測定ができる液料噴霧の体積測定装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、液料噴霧の軸に直交する複数の方向より液
料噴霧に平行光を照射する光源と、液料噴霧の反対側か
らこれらの平行光を同一方向に揃えて反射する複数の反
射手段と、この揃えられた平行光を受光して複数方向か
らの液料噴霧像を撮像する撮像手段と、これらの液料噴
霧像から液料噴霧の立体的輪郭を推定する輪郭推定手段
と、この立体的輪郭に基づいて液料噴霧の体積を計算す
る体積計算手段とを備えたものである。

【０００８】上記輪郭推定手段は、液料噴霧像の軸方向
の所定間隔毎に、照射方向毎の液料噴霧像の径を測定す
ると共に照射方向間を補間して断面輪郭を推定してもよ
い。

【０００９】上記光源は、レーザ光を発生するレーザ発
振器と、このレーザ発振器に光ファイバを介して結合さ
れ、液料噴霧の軸の周囲に配置された複数の出射端とか
ら構成されてもよい。

【００１０】

【作用】上記構成により、光源は液料噴霧の軸に直交す
る複数の方向より液料噴霧に平行光を照射する。各方向
において、平行光が照射されているので、液料噴霧の反
対側には液料噴霧の正確な側面形状情報を担持する平行
光が得られる。複数の反射手段は、それぞれの方向の平
行光を同一方向に揃えて反射する。従って、この同一方
向に揃えられて反射された平行光には、複数の方向の液
料噴霧の正確な側面形状情報が担持される。

【００１１】撮像手段は、この揃えられた平行光を受光
して複数方向からの液料噴霧像を撮像する。撮像された
複数の液料噴霧像は、それぞれ同じ時間の側面形状を表
しているから、輪郭推定手段は、これらの液料噴霧像か
ら成長する液料噴霧の一瞬の立体的輪郭を推定すること
ができる。体積計算手段は、この立体的輪郭に基づい液
料噴霧の体積を計算する。

【００１２】輪郭推定手段の立体的輪郭推定方法は、液
料噴霧像の軸方向の所定間隔毎に断面輪郭を推定する。
即ち、液料噴霧を軸に直角に輪切りするようにして各断
面輪郭を推定し、これらの断面輪郭を軸方向に並べたも
のを立体的輪郭とする。断面輪郭の推定は、照射方向毎
の液料噴霧像の径を測定して得る。一方向の液料噴霧像
の径から断面輪郭の２点が求められ、これらを方向順に
軸の回りに配置すれば断面輪郭上の複数の測定点が得ら
れる。このとき照射方向間を線形補間やラグランジュ補
間により補間することにより、有限個数の測定点から実
際の輪郭に近い断面輪郭を推定することができる。この
場合、体積の計算は、各断面の面積を求め、さらにこの
断面の面積を軸方向に積分することになる。

【００１３】光源は、液料噴霧の軸の周囲に各照射方向
毎に独立させて設けてもよいが、１台のレーザ発振器か
ら複数の光ファイバを分岐し、この光ファイバを液料噴
霧の軸の周囲に配置された複数の出射端に結合して構成
することもできる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００１５】図１（ａ）は、本発明の液料噴霧の体積測
定装置の光学系の構成を示している。光源１は、レーザ
光を発生するレーザ発振器２と、このレーザ発振器２に
光ファイバ３を介して結合され、液料噴霧４の軸の周囲
に配置された複数の出射端５とから構成されている。こ
の実施例では、ほぼ１２０°間隔で配置された３つの出
射端５が設けられている。出射端５から出射される平行
光Ｌは、図示されるように測定対象である液料噴霧４の
径よりも広い所定の幅を有し、かつ紙面垂直方向（液料
噴霧の軸方向）にも液料噴霧４の長さよりも広い所定の
幅を有した断面矩形状の平行光Ｌである。各出射端５
は、液料噴霧を側面から臨むように、図示されない噴射
系の噴射軸方向に直交するように配置される。このよう
にして、単一のレーザ発振器２から３つの出射端５にレ
ーザ光を分配して、液料噴霧の軸に直交する３方向より
液料噴霧に平行光Ｌを照射する光源１が形成されてい
る。

【００１６】反射手段６は平面鏡７で構成される。この
実施例では、出射端５のひとつが後述する撮像手段に正
対しているので、その出射端５に対応する平面鏡７は存
在せず、残りの出射端５のために平面鏡７が２か所に設
けられている。各平面鏡７は対応する出射端５の液料噴
霧４の反対側に配置され、それぞれ対応する出射端５に
対して所定の傾斜角度を有している。この傾斜角度は、
液料噴霧４の反対側からの平行光Ｌを、上記平面鏡７の
ない出射端５からの平行光Ｌの同一方向に揃えて反射す
るように設定される。図示されるように、各平行光Ｌが
互いに重なることがないようになっている。

【００１７】撮像手段８は、高速度のシャッタ動作及び
フィルム送りを行う高速度カメラ９と、その前方に置か
れた対物レンズ１０とからなり、前記した出射端５のひ
とつに正対させて配置されている。対物レンズ１０は、
揃えられた平行光Ｌを高速度カメラ９に集光するもので
ある。高速度カメラ９はこの集光された光を取り込ん
で、内部のフィルム面上に結像させるものである。この
ように、高速度カメラ９に収容されたフィルムの１コマ
に、上記方向の異なる３つの液料噴霧像が所定の倍率で
撮像されるように構成されている。

【００１８】撮像手段８で撮像した液料噴霧像から体積
を測定するシステム構成が図２に示されている。この例
では、撮像手段８は、前記した高速度カメラ９と高速度
ビデオ２１との２種を使用することができる。高速度カ
メラ９を使用する場合、撮影フィルムが公知のフィルム
モーションアナライザ２２に装填される。高速度ビデオ
２１又はフィルムモーションアナライザ２２の画像デー
タであるＲＧＢ信号が画像処理装置２３に入力されてい
る。画像処理装置２３は、上記画像データを処理して対
象物の輪郭の座標データを抽出するものであり、撮像手
段８で得た液料噴霧像から液料噴霧の立体的輪郭を推定
する輪郭推定手段２４として使用される。座標データか
ら輪郭を推定する具体的方法は、後述する。

【００１９】画像処理装置２３にはＲＳ−２３２Ｃ、Ｇ
Ｐ−ＩＢ等の通信線を介してホストコンピュータ２５が
接続されている。ホストコンピュータ２５は、液料噴霧
の体積を計算する体積計算手段２６であり、上記輪郭の
推定結果を体積計算プログラムによって処理し、体積測
定結果を出力することができる。体積の具体的計算方法
は、後述する。

【００２０】次に実施例の作用を述べる。

【００２１】図１において、レーザ発振器２からのレー
ザ光は光ファイバ３によって分配され、３つの出射端５
から平行光Ｌとして出射される。平行光Ｌは噴射系の噴
射軸を直交して通り、平面鏡７のないところでは直接、
平面鏡７のあるところでは平面鏡７で反射され、互いに
重なることなく対物レンズ１０に至る。このとき各平行
光Ｌは、対物レンズ１０の位置において、出射端５と対
物レンズ１０との間にある対象物の各方向の側面形状を
その光路距離に無関係に等倍率で写像することができ
る。対物レンズ１０は、これらの平行光Ｌを高速度カメ
ラ９に集光する。

【００２２】噴射系の噴射動作に同期して高速度カメラ
９の動作が開始されると、成長する液料噴霧の様子が連
続的に撮像されることになる。フィルム（１コマ）に
は、３つの平行光Ｌによるそれぞれの方向の液料噴霧像
が同じ倍率で写ることになる。図１（ｂ）は、そのフィ
ルムの一例である。フィルム１１には、同じ瞬間の３つ
の液料噴霧像１２が並んで写っている。１３は噴射系の
先端部である。ここで、光源が３方向にあるために、液
料噴霧からの散乱光が写ることもありうるが、本発明に
あっては、輪郭の推定ができればよいので、散乱光の影
響は無視できる。

【００２３】次に、このフィルムを図２のシステムに使
用して輪郭の推定及び体積の計算を行う手順を図１
（ｂ）、図４及び図５によって説明する。

【００２４】まず、図１（ｂ）のフィルム１１上で各液
料噴霧像の液料噴霧の軸方向（Ｚ方向）の任意の位置
（破線で示す）における輪郭の点Ｐｉ１〜Ｐｉ６の座標
の検出を行う。この検出は、公知のフィルタリング、二
値化等の画像処理を施し、液料噴霧像と背景とを分離す
ることによって可能である。次いで、これらの点を、各
液料噴霧像に振り分け、それぞれ液料噴霧の軸にあたる
座標からの距離を算出する。この距離に倍率を掛けて、
実寸の径ｒに変換する。この径ｒで表される点をその軸
を中心とした図４（ａ）の極座標に写像する。各点の角
度θは、図１の構成から明らかであるから、角度θの順
に、Ｐｉ５，Ｐｉ３・・が並ぶ。次に、図４（ｂ）に示
されるように、角度θを直線に展開した座標系におい
て、直線補間（線形補間）によって各点間を埋め、径ｒ
の近似的な連続変化曲線を得る。これを極座標に戻す
と、図４（ｃ）の閉じた図形が得られる。これが、Ｚ方
向の上記の位置における断面輪郭を示している。なお、
図４（ｄ）は、ラグランジュ補間によって各点間を埋め
たものであり、これより図４（ｅ）の断面輪郭が得られ
る。このように、適当な補間方式を用いることによっ
て、出射端５や平面鏡７を多数使用することなく、所望
の精度に合わせた断面輪郭の推定が可能である。

【００２５】Ｚ方向の位置をずらすことによって、軸に
沿った各位置での断面輪郭が得られるので、液料噴霧の
立体的輪郭が推定できることになる。各液料噴霧像の軸
方向の輪郭は連続しているので、連続的な立体的輪郭を
得ることができるが、離散的にサンプリングを行っても
よく、本実施例では、図５に示したΔＺ間隔でサンプリ
ングを行う。

【００２６】図５には、ΔＺ間隔の位置Ｚｉ（ｉ＝１，
２，・・，５）において、上記方法によって求めた各断
面５１の輪郭が示されている。ここで、各断面５１の面
積Ｓｉ（ｉ＝１，２，・・，５）は、公知の方法によっ
て算出することができる。そこで、液料噴霧の体積Ｖ
を、

【００２７】

【数１】

【００２８】のように、面積ＳｉをＺ方向に積分するこ
とによって求める。

【００２９】次に、他の実施例を説明する。

【００３０】図３のシステムは、自動的に輪郭の座標デ
ータを抽出する画像処理装置２３を使用しない廉価なシ
ステムである。高速度カメラ９で得られた撮影フィルム
は、デジタイザ３１又は卓上投影装置３２に載せられ
る。デジタイザ３１の場合、輪郭上の各点を手操作によ
り指定すると、座標データがＲＳ−２３２Ｃ、ＧＰ−Ｉ
Ｂ等の通信線を介してパーソナルコンピュータ３３に送
信される。卓上投影装置３２の場合、スケールの読取り
による座標データをパーソナルコンピュータ３３に手入
力することになる。パーソナルコンピュータ３３は、前
記の極座標変換及び補間のアルゴリズムによる輪郭推定
プログラム、並びに前記の体積計算プログラムを実行し
て体積を出力する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００３２】（１）複数の方向からの像を１つの画面
（１コマ）に収めることができるので、立体的形状や体
積を正確に知ることができ、しかも、同じ瞬間の像が得
られるので、対象が急激に変形するものであっても、時
間のずれによる不正確さがなくなる。

【００３３】（２）撮像手段が１台でよいので、構成が
簡単である。高速度カメラ等の撮像手段は一般に高価で
あるから、この構成は経済的である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施例を示す体積測定装
置の光学系の構成図、（ｂ）は、撮影されたフィルムの
図である。

【図２】本発明の一実施例を示す液料噴霧像から体積を
測定するシステムの構成図である。

【図３】本発明の他の実施例を示す液料噴霧像から体積
を測定するシステムの構成図である。

【図４】輪郭の推定のアルゴリズムを示す図である。

【図５】体積の計算のアルゴリズムを示す図である。

【図６】（ａ）は、従来の体積測定装置の光学系の構成
図、（ｂ）は、撮影されたフィルムの図である。

【図７】（ａ）は、液料噴霧の側面図、（ｂ）は、別の
角度から見た液料噴霧の側面図である。

【符号の説明】

１光源４液料噴霧６反射手段１２液料噴霧像２４輪郭推定手段２６体積計算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液料噴霧の軸に直交する複数の方向より
液料噴霧に平行光を照射する光源と、液料噴霧の反対側
からこれらの平行光を同一方向に揃えて反射する複数の
反射手段と、この揃えられた平行光を受光して複数方向
からの液料噴霧像を撮像する撮像手段と、これらの液料
噴霧像から液料噴霧の立体的輪郭を推定する輪郭推定手
段と、この立体的輪郭に基づいて液料噴霧の体積を計算
する体積計算手段とを備えたことを特徴とする液料噴霧
の体積測定装置。
【請求項２】上記輪郭推定手段は、液料噴霧像の軸方
向の所定間隔毎に、照射方向毎の液料噴霧像の径を測定
すると共に照射方向間を補間して断面輪郭を推定するこ
とを特徴とする請求項１記載の液料噴霧の体積測定装
置。
【請求項３】上記光源は、レーザ光を発生するレーザ
発振器と、このレーザ発振器に光ファイバを介して結合
され、液料噴霧の軸の周囲に配置された複数の出射端と
から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の
液料噴霧の体積測定装置。