宮崎大学学術情報リポジトリ Title Author(s) Citation URL LDを用いたLDVシステムの小型化とガス流動計測田坂, 英紀; 前田, 裕司; 友松, 重樹 Memoirs of the Faculty of Engineering, Miyazaki University, 35: 223-228 http://hdl.handle.net/10458/439 Date of Issue 2006-08-30 Right Description LDを用いたLDVシステムの小型化とガス流動計測 2 2 3 LD を用いた LDV システムの小型化とガス流動計測田坂英紀 l )･前田裕司 2) ･友松重樹 3 ) Mi iat m ur iz eo fLI ) VSys t e mbyLa s e rDi o deandGa sFl o wMe a s uI ℃me nt f i i d e no iTAS r AKA,Yu j iMAEDA, S hi g e k i TOMOMATS U Ab s t r ac t No w, ma ki ngt ol o wpo nut i o na n dl o wf ue lc o ns m pt u io ne ng inea rer e que s t e df ro mpr o bl e ms I ti si mpo rt n tt a ounde r s t n d, a and s uc hase nv ir o nme nt l po a nut i o nanddn, ngupo i fr e s o ur c e . t oc l a i& r g a sf lo wi na n e ng inei nd e t a lt i oa c h i e v et hi sde mand.The r ei sLas e rDo ppl e r o c i me t e r( LDV)aso neo ft heme a nt ome as ur eg asf lo w. I tc anbes idt a ha ti ti so neo ft he Ve l le x i bi hb, t o e fe c iveme t hdst t omi ni at ri u z et hee nt ir eLDVde ic v eandt ohpmV eme aS ur ingf me as ur eag asf lo wi na ne ng ineb yus ngt i hi sf ea t ur e . e nus e dasal ig hts o ur c eo f LDVc hang e di nt o I nr e c e ntye ar s , HeNel as e rwhi c hhass ohrbe La紀rDi o de( LD)byt hede v e l o pme nto fas e ic m o nduc t o re l e me nt , a nda_ g mt em im iat ur iz a t i o n wasa bl et obea c hi e v e d.The n,wem i ni at ur i z e dt hee nt i r eLDV d e ic v ei nc l udi ngLD l i ht g s o ur c ei nt hi sye r' a sr e s e a mh. Asar e s ul t , A l eLDVd e vi c ewa smi ni a t u iz r e db yu s i n gLDf o rt hel i hts g o u r c e , nd6 a 7% r e d u c ngwa i s a b l et ot 光a C h i e v e db yv o l u memo r et ha n t hep a s to n e ･Mo r e o v e r ,i twa sa bl et ot 光S h o n t w ha t mini a t ur iz e dLDLDVwa se fe c t i v ei nt heme a s u r e me n ti na ne n g l n e . 1 . まえがき 2 .L DV小型化レーザドップラ流速計 ( I DV) の特徴の一つとして, 現在,内燃機関の低公害化,低燃費化,高効率化が求め空間的分解能に優れているという長所がある｡この特徴をられており,これらの要求を実現させるためには,シリン生かし,シリンダ内のガス流動を計測するには,Ⅰ . DV ユダ内ガス流動の詳細を把握し,解明することが重要である｡ニット全体を小型化し計測自由度を向上させることが有従来の研究 1)では,シリンダ内ガス流動の傾向を把握す効な手段の一つである｡そこで,本研究においては Ⅰ . DV るため, レーザ流速計 ( LDV) を用いて研究を行ってき光学系から発振される 2 ビームの間隔を狭めることによた.しかし,局所的計測であるがゆえ,自由度向上が I DV り, 光源部を含めたLDVユニット全体の小型化を図った｡を有効に使用するための一つの課題となっている｡近年の研究では,レーザ光源に LDを使用することで小型化をはかり,その有効性が実証されている 2)｡しかし,光源部以 2 . 1L DVユニットの小型化従来の Ⅰ . DVでは,後方散乱によって計測を行う場合, 外はまだ小型化の余地があり,その有効性が実証されてい光源部と受光部が独立していた｡しかし,今回作成したない｡ LDV ユニットは,光源部と受光部が一体となっており, そこで,本研究では,光源部以外の小型化を実現し,更 DVの移動が容易に光学系の調整,計測位置変更に伴うL なる計測自由度向上を目指すことを目的とする｡ . DVユニなった｡ここで,参考までに従来使用していた Ⅰ 1 )機械システム工学科教授 2)機械システム工学専攻大朝碇生ットを図 1に,新しいⅠ . DVユニットを図 2に示す｡ 3)機械システム工学科助手 2 2 4 宮崎大学工学部紀要 r G e Li g h ts o u Co川 mator l enS otomu l t il i e r P h O p ti c als y s t 即くト > ■ l ll 第3 5号 7 T - lI ∪ 図 3 測定体積図 1 LDVユニット ( 小型化前) よユ I 表 1 測定体積 2 5 0 Li g h tS o u r c e ∼ . 愚妻 i = _∩ I: E j l! , 甘 : f . ' = ' : =口妄 2 5 mm 5 01 mm 3 . 5 7 6 7. 1 2 5 ASl l L m] 5 . 31 4 8 2. 6 7 2 6 ml l mm] 1 . 3 5 0. 6 7 7 d mbm】 0 . 0 8 4 0. 0 8 5 Be a m 間隔 P h ot omul ti pl i er l I 毒す ∼ P く亡ヽ一 l ∂ P】弓図2 新L DVユニット( 小型化後) 干渉縞間隔が約 2. 67〃 . m から約 5. 31〃m - と拡大された｡これはトレーサの粒径と深く関係し,ドップラ信号の検出 2 . 2 ビーム間隔と測定体積に大きく影響してくる｡信号の検出は LDV計測を行う上今回,LD Vユニットを小型化させるにあたり,ビームで重要な項目のひとつである｡測定体積内に複数のトレー間隔をどれほど縮小させることが望ましいか,測定体積やサが混在する状態では d r o po ut現象が起き,信号が検出さ計測可能流速域などから検討を行い,従来の 5 0mm かられないときがある｡ 25 mm に縮小した.まず,測定体積の説明を以下に示+. 現在当研究グループでは,エンジン内ガス流動計測を行測定体積とは,図 3に示すように 2つの入射両光線の光う際,計測対象であるシリンダ内に最大粒径でも約 3〃m 差部がドップラ信号観測可能な領域のことである｡測定体積を表すための定義式を以下に示す｡程度トレーサを使用して流体に追従させている｡ 0mm の I DVでは,トレーサ粒径 3F Lm にビーム間隔 5 . 67J Jm で,その比が 1: 0. 9で対して,干渉縞間隔が約 2 ビーム径 . ･ W-4人￡ /7 t Wo あり, トレーサ粒径と同程度しか干渉縞間隔がない.しか測定体積の幅 : d m-W/c o sO司入f /nWoc o s0 し,今回ビーム間隔を 2 5 mm にしたことによって,干渉測定体積の長さ :L-W/S n0=4人f i /7 t Wos n0 i 縞間隔が約 5. 31〟m となり,その比が 1:1 . 8となった｡干渉縞の数 :Np-d m/ A S=2 ( W/A) t ana トレーサ粒径と干渉縞間隔の関係を見たとき,トレーサ粒 -( 8 f /7 t Wo ) t a na 径が干渉縞間隔の半分からそれよりやや大きい時,理論上ここで, レーザ波長 :九最も良質な信号を得ることができる｡集光レンズの焦点距離 :f 交差角 . ･ 0 コリメート光径 : Wo 干渉縞の間隔 : AS この結果から, ビーム間隔 5 0 mm 時には,干渉縞距離に占めるトレーサ粒径の割合が高く,血℃po ut発生率も高かったのではないかと予想される｡ビーム間隔を 2 5mm ここで,ビーム間隔を 5 0mm から 25 mm にしたことによって形成される測定体積の変化を表 1に示すとにすることによって,この問題が幾分改善され,良質な信号を得られやすくなったと考えられる｡ 2 2 5 LDを用いたLDVシステムの小型化とガス流動計測 3 . 性能綿 3. 2 旋回流容器による性能試験小型化によりレーザ光のビーム間隔が 5 0 mm から 3 . 1 回転円盤による性能試験 25 mm に縮小されたことに伴い, レーザ光による干渉縞今年度の研究において,小型化された LDV装置が,実間隔が 2 . 67F L m から5. 31F L m に拡大した.ここで,重要際に問題なく機能し,正確に流速を計測することが可能で視しなければならないのが,流速測定の際流体に追従させあるか確認する必要がある｡そこで,理論的に速度が算出るトレーサの存在である｡数値的にみると理論上問題ないできるアクリル回転円盤によってその実験を行った｡と言える｡しかし,本当に問題がないか,実際に現在本研実験方法としては,図 4に示すように,モータに取り付究で使用しているトレーサ ( グランド-ノ t , )を用いた流速けたアクリル回転円盤にレーザ光によってできた測定体測定を試み,確認する必要性がある｡そこで,意図的に定積を当て,この位置から中心までの距離とモータの回転数常流を発生させることのできる,旋回流容器を製作し実験によって速度を算出し,これを真値とした｡そして,真値を行った｡概略を図 6に示す｡とトラッカで信号処理された電圧から求まる速度とを比較した｡さらに,今回は流速の方向成分を知ることができ Las e rbe am i nci dentyi nd oy るよう周波数シフタを用いている｡そこで,周波数シフタの有無によって,流速値に差があるなどの影響がないかの確認も合わせて行い,相対比較した｡実験結果を図 5に示す｡図は,縦軸にそれぞれ周波数シフタ有りと無しの場合の実測値を表し,横軸を真値とした｡実験の結果,図からも分かるように周波数シフタ有りの場合,無しの場合ともに実測値が理論値と一致しており,小型化された LDVが十分に機能していることがわかった｡以上より周波数シフタの有無に関係なく,新しい Ⅰ ｣ ) Ⅴ 図 6 旋回流容器概略が流速測定に使用可能であることが言える｡ 5 0 0, 3 0 0 0 , 6 0 0 0 r pm 実験条件として, フアン回転数を 1 とし,中心軸から±4 0mmまで,1 0mm毎に,計 9箇所計測地点を設け,それぞれの流速を比較した｡散乱方式としては,後方散乱方式を用いた｡周方向,軸方向の平均流速の結果を図 7,舌は1 ノ強さの結果を図 8にそれぞれ示す｡図 7,8は縦軸に流速,横軸に中心からの距離をとっている｡図 4 回転円盤計損概略 u]Ll ! 30T 3^ ut a !M ︻sJ 0 4 6 2 8 8 2 02460821 回目 01 21 4) 61 8 1 0 1 21 4】 62 83 l n 拍 ) 其値( 4 6 2 8 2 40 02 c c 404 0 0 2 一 ● 2 2′ 1 ●･1 : 6 l - ハイレンジ､シフタあり - 其値 . 2 ｡1 回日 ▲2 回日 .B V 震鞘 ( S ･ u) : . 0 8 . ミドルレンジ,シフタなし - 夷値 : 2 g1 回日 -0 15 0 0 r p m + 心･･･船･ 1 6 . 2 0 2 4 _ 2 8 ･ 6 0 5 0 ･ 40･ 30･ 201 1 0 0 1 0 2 0 304 05 06 0 r i n g p o i n t 【 m Me a s u ロ掴目図 5 回転円盤計測結果 n] 3 0 0 0 r pm 6 0 0 0 r p r n 場強が㌔･ = ･ 6 0 ･ 5 0 40 ･ 3 0 ･ 2 0 ･ 1 001 02 03 04 05 06 0 Me a s 叩n gP Oi n t【 n nl ] 図 7 平均流速 ( 左図 :周方向右図 :軸方向) 宮崎大学工学部紀要 q l 5 つム 5 1 一ヽ一つ︼･ I O. ︻ s J 主音SU a l U laCIUaln n L -∼ 1 5 00r pm ベトー1 5 00r pm + 3 000r pm 0 6000r pm . { ト3000r pm + 6000r pm A 4 I . . J- d/A J Y- ン凡 . ㌔ . A , . I . . . h ＼ T d r 601 501 40301 201 1 00 1 0203040506 0 Me a s u r i n gp o i n tl mm] C ooH ng water C o mb u s ti o nc h a mb er - - ､≠ _也 _小〆一 ′止 i c ndw/ cryli A ＼ n ･＼･主 h . p h 第3 5号 / / ; wi ∩ jack e t o / / G Iass ∫ / :. .. . /L. i p f / l ロ一 m＼廿 . 一〇一q ー 605 04030201 00 1 0203 0405 060 Me asu nn gp o l n tl r r u n】 r 図 8 舌はし強さ ( 左図 :周方向右図 :軸方向) 図 7より,平均流速,乱れ強さともにおおよそところは回転数に比例して増加していることがうかがえる｡とくに壁図 9 計測用シリンダ- ツド面付近では乱れ強さが増加している｡これは,容器内取り付けてある観測用窓よって,容器形状がこの付近で大きく変形しているためであると考えられる｡また,壁面付近で 4 . 2 実験方法及び実験条件は流速が減少傾向にある｡これは,壁面の摩擦による影響本研究では,前述の供試機関を機関回転数 1 000r pm, が考えられる｡回転数を上げ,流速が増加すると,この兆機関冷却水 8 0 ℃に設定し実験条件の同一化と観測窓の曇候が顕著に現れていることからも裏付けられる｡り防止を図り,モータで駆動運転し流速を計測した｡また, 0 m/ S近くでも問題なく計測できることがまた,流速 3 データ収録区間は圧縮上死点前 9 00 から排気上死点後確認できた｡この流速値はフアン回転数,計測位置から考 300までの4 800区間について4 0〝S( 0. 24 ?) 毎に 2 000 えても妥当な数値であると言える｡よって,エンジン内流データを収録し, 母集団数を 1 0 サイクル以上採取した｡速測定においても十分適用可能であると考えられる｡詳細な実験条件を表 2に,計頚帽: 置を図 1 0にそれぞれ示す｡計頚帽: 置は全 3 9地点で,ピストン頂面部を Z-0 4 エンジン内ガス流動計測小型化した LDVが流速計として,既存するものと比べとしてある｡Z-0の Ⅹ軸上では,軸方向の流速も計測することとした｡また,Y-1 0 ,Z-1 7の計測位置は,ビー遜色ない精度で計測できているか, 小型化したメリットがム間隔を 5 0mmから25mmにしたことで,集光レンズ f 十分に発揮されているかを確認,証明することを最大の目 2 0 0 mmの条件でも計測可能となった点である｡集光レンズ f 的とし,エンジン内ガス流動計測を行った｡表 2 エンジン内計測条件 4 . 1 供試機関本研究で使用した供試機関は,実験用に改造を加えた三光源 Ⅰ D ( レーザダイオード) 波長 6 63 nm 散乱方式後方散乱方式とピストン- ツドの上部にそれぞれ延長したシリンダラ散乱粒子グランド-ルイナとピストンを取り付け,さらに計測用シリンダ- ツド周波数シフト 8 MHz を取り付けてある｡ボア ×ストロークは 8 4. 0mmX TRACⅠ く ER RANGE 90. 0mm,排気量 498. 5 ∝ で,焼室形状はパンケーキ型とサンプリング間隔なっている｡サンプリング時間 4 0×2 04 8 〃S シュラウド覆い角 1 2 0 0 計測区間準) ( 圧縮上死点基 BTDC9 0 0- ArDC1740 計測位置 Ⅹ=3 5 -+3 5 ( 5 mm 毎) 周方向 ( 3 9地点) ※図 1 0参照菱製 R52R 型 4サイクル単気筒エンジンである｡この機関は,純正のシリンダ- ツドを取り外し,シリンダライナ計測用シリンダ- ツドば,レーザ光を燃焼室内部に入れるため,側壁部にシリンダ中心を通る水平面上に直径 36. 0mm の穴が 2つあり,ガラスの観測窓が設置できる｡図 9に計測用シリンダ- ツドの概略を示す｡吸気バルブには,シリンダ内にスワールを発生させるため,シュラウドの覆い角が 1 2 00のバルブを使用した｡ ng h RJ NGE O. 5 5 0 M比 ( 0. 1 V伽mz ) 4 0 〃S ( 2 0 4 8個) Y±0, 1 0 LDを用いたLDVシステムの小型化とガス流動計測 H H H H ︻ s p ]^ h! o ot a ^ut Z a M 4 03 ふ′ L 0⊥2 . A 0 . ふふ 1 0ふ 0. 人2 ′ L 0 4 2 2 7 1 Y oY彦htJ ) k eV 8 千 / cyl i nd erh e一 T V 〉 ) ⊥ ( 〈〈 4. 3. 2 周方向についての考察 / X P C s s y t l 図 1 1 ,1 2,1 3に示す周方向平均流速は,Z =1 0,Y±0 の Ⅹ軸上の位置を基準とし,Z =1 7 ,Y=1 0と計測位置を図1 0 計測位置移動させたときの結果について比較を行った｡グラフは縦軸に流速値,横軸に時間経過を示すクランク角をとった｡図1 1 ,1 2において,基本的に計測位置が中心から外側 4. 3 計測結果及び考察回転円盤,旋回流容器の実験にて,定常状態で小型化した新しい LDV が十分に機能していることが証明できに行くにつれて流速も大きくなるが,もっとも外側 Ⅹ=± 40 mm の計測位置では流速が減少している｡これはシリンダ壁面における摩擦の影響によるものだと思われる｡た｡これを踏まえ,次に非定常伏態において問題なく機また,ピストン上死点前 6 0 0付近,吸気バルブから新能しているかの確認を行う必要性がある｡そこで,エンしく気体が吸入された直後ということもあり,流速の変動ジン内ガス流動計測を行った｡が激しいことがわかる｡そして,上死点後 3 0 0付近から本研究では,小型化した Ⅰ . DVが流速計として,既存は, Ⅹ軸上のどの計測位置においても流速変動が少なく安するものと比べ遜色ない精度で計測できているか,小型定した状態になっている｡とくに中ノ L イ寸近 Ⅹ=0の位置に化した効果が十分に発揮されているかを確執証明するおいては,ほとんど周方向の流れは発生していないことがことを最大の目的として実験を行った｡わかる. しかし,中心より±1 0mm 離れると 5-1 0m/ S の流速が発生していることから,上死点後 30 0以降は渦 4. 3. 1 既存データとの比較の中心が Ⅹ=0の位置にあると言える｡このような流れを図1 1に,今年度行ったガス流動計測の流速結果と, 形成する要因としてはスワール流の存在が影響している既存データとの比較を示す｡これを見る限り,今回得たものと思われる｡言い換えれば,本実験で使用している流速結果と過去の結果がほぼ一致していることがわかるO 1 200 シュラウドバルブが効果的にスワール流を形成しよって,小型化された Ⅰ . DV が既存するものと比べ遜色ていると言える｡ない精度で,正確に流速を計測できていると言える｡多また今回,ビーム間隔を 2 5mm にしたことで,Ⅰ . DV 少の誤差が 2つL のデータに生じる原因としては,エンジを水平方向にトラバースさせ,Y=1 0の位置での計測が可ン内ガス流動が,完全な同一条件もとで発生していない能となった.これにより,バルブに近い位置まで測定体積ことがある｡他の原因としては,ビーム間隔を狭めたこを持っていくことができ,ガス流動に対するバルブの影響とによる測定体積の変化や,ノイズの影響などが考えらを調李することが可能となった｡結果を図 1 3に示すムⅩ れる｡軸上の流速と比較すると,Ⅹ=0から2 0mm まではほぼ同じような傾向を示し,Ⅹ=3 0 mm の位置ではⅩ軸上の流速に比べ,バルブ付近の流速が遅くなっている｡これは,供 2 2 8 宮崎大学工学部紀要試機関がサイドバルブであるため,排気バルブが影響しているものと思われる｡図1 4にシリンダ- ツド直下において,その結果を示+. 第3 5号 4. 3. 3 軸方向についての考察軸方向平均流速の結果を図 1 5に示す｡まず,周方向に比べ非常に小さい流れであることがわかる｡また,圧縮行おおよその流れの傾向としてはZ=1 0の時に類似している程において中心付近では周方向と同じく周期的変動を伴が,シリンダヘッド直下では時間が経過しても各計測位置った流れであるが,正負の流速域で複雑な流れとなっておにおける流速に差が少なく,5-1 3m/ Sに集中している｡り,どの計測位置でも上昇流,下降流などの明確な平均的シリンダ壁面に加え,シリンダ- ツド面による摩擦や上方な流れは確認できないと言える｡これは,スワール流によに流れの行き場がないことが影響していると考えられる｡って形成されている渦の中心が傾きを持っており,圧縮･膨張過程においてその位置が複雑に変動しているためであると考えられる｡ u]^ 倉 oop^ut 2 a y V ︻sJ [ S ＼丘 > 甘 30t a^uda V V 6 0 1 2 0 】 0 6 0 Cr a n ka n de0l d e g . 1 8 0 図1 5 軸方向平均流速 ( Y=0,Z=1 0) 5 結論 Ⅰ . DV利用価値向上のため小型化を行い,その有効性を示すべく定常,非定常状態における計測実験を行った｡そして得られた結果に基づいて評価を行い,以下の結論を得た｡ ( 1 ) ビーム間隔を 5 0mm から 25mm に縮小することで LDVユニット全体の小型化に成功し,その有効性を示すことができた｡ ( 2 )小型化した Ⅰ . DVによりエンジン内ガス流動の計測を図1 3 バルブ付近周方向平均流速作土0,Z=1 0) 行い,十分に小型化したことによる効果が発揮でき, エンジン内ガス流動の計測範囲拡大に繋がった｡ [ S ＼ ∈︼> 倉 3 0T a ^u t 2 9 M 参考文献 1 )田坂英紀･佐藤忠教, ｢内燃機関｣, 森北出版 ( 1 995) 2)小原剛, ｢レーザーダイオード光源による LDV 開発と計測｣, 平成 1 4年度宮崎大学大学院修士論文 3) レーザー計測ハンドブック編集委員会, ｢レーザー計測ハンドブック｣ , 丸善 ( 1 993) 図1 4 シリンダ- ツド真下周方向平均流速 ( Y=0,Z=1 8)