JPH0894526A - すす濃度測定方法 - Google Patents
すす濃度測定方法Info
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- JPH0894526A JPH0894526A JP25455394A JP25455394A JPH0894526A JP H0894526 A JPH0894526 A JP H0894526A JP 25455394 A JP25455394 A JP 25455394A JP 25455394 A JP25455394 A JP 25455394A JP H0894526 A JPH0894526 A JP H0894526A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 すすの濃度をレーザ誘起白熱手法により測定
するすす濃度測定方法を提供する。 【構成】 測定室の一端に設けた発光部によりすす生成
場にパルスレーザシート光１０を照射しすす温度を蒸発
点付近まで上昇させると共に、該測定室の他端に前記発
光部のパルスレーザシート光１０の照射方向に対し交差
して設けた高速シャッタカメラ１４によりすす粒子が輻
射する白熱光を受光し、かつ当該パルスレーザシート光
１０の強度を１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ
2 の範囲として前記輻射強度を検出してすすの濃度を高
精度で効率良く測定することができる。
するすす濃度測定方法を提供する。 【構成】 測定室の一端に設けた発光部によりすす生成
場にパルスレーザシート光１０を照射しすす温度を蒸発
点付近まで上昇させると共に、該測定室の他端に前記発
光部のパルスレーザシート光１０の照射方向に対し交差
して設けた高速シャッタカメラ１４によりすす粒子が輻
射する白熱光を受光し、かつ当該パルスレーザシート光
１０の強度を１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ
2 の範囲として前記輻射強度を検出してすすの濃度を高
精度で効率良く測定することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、すす生成場におけるす
すの濃度を効率良く高精度に測定するすす濃度測定方法
に関する。
すの濃度を効率良く高精度に測定するすす濃度測定方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年の環境問題の高まりと共に、例えば
ディーゼルエンジンに対しては窒素酸化物（ＮＯｘ）や
粒子状物質（ＰＭ）の低減が強く求められている。この
粒子状物質の主成分であるすすの生成抑制が急務となっ
ている。このすす低減技術の開発のためには、ディーゼ
ルエンジンにおける筒内中のすすの生成・酸化過程に関
する現象情報が極めて有用である。しかし、非定常で、
かつ複雑に分布した筒内のすす分布を計測することは非
常に難しい。
ディーゼルエンジンに対しては窒素酸化物（ＮＯｘ）や
粒子状物質（ＰＭ）の低減が強く求められている。この
粒子状物質の主成分であるすすの生成抑制が急務となっ
ている。このすす低減技術の開発のためには、ディーゼ
ルエンジンにおける筒内中のすすの生成・酸化過程に関
する現象情報が極めて有用である。しかし、非定常で、
かつ複雑に分布した筒内のすす分布を計測することは非
常に難しい。
【０００３】かかる状況の下で、従来、散乱法や透過光
減衰法などのレーザ計測は、測定場を乱すことなく瞬時
に、高分解能、広領域のすす分布測定が可能である
〔（「レーザシート散乱法による非定常自由噴霧火炎
内のすす生成に関する研究」日本機会学会論文集（Ｂ
編），５７巻５４３号，Ｎｏ．９１−０６３９Ａ（１９
９１）。「２次元すす散乱光画像の解析による非定常
噴霧火炎の構造とすす生成に関する研究」，日本機会学
会論文集（Ｂ編），５７巻５３６号，Ｎｏ．９０−０７
０７Ａ（１９９０）。「レーザシート法による直接噴
射式デイーゼル機関内燃焼の観察」，第９回内燃機関合
同シンポジウム講演論文集，２２９．（１９９１）。
ＳＡＥペーパ８３１２９１（１９８３年）。〕
減衰法などのレーザ計測は、測定場を乱すことなく瞬時
に、高分解能、広領域のすす分布測定が可能である
〔（「レーザシート散乱法による非定常自由噴霧火炎
内のすす生成に関する研究」日本機会学会論文集（Ｂ
編），５７巻５４３号，Ｎｏ．９１−０６３９Ａ（１９
９１）。「２次元すす散乱光画像の解析による非定常
噴霧火炎の構造とすす生成に関する研究」，日本機会学
会論文集（Ｂ編），５７巻５３６号，Ｎｏ．９０−０７
０７Ａ（１９９０）。「レーザシート法による直接噴
射式デイーゼル機関内燃焼の観察」，第９回内燃機関合
同シンポジウム講演論文集，２２９．（１９９１）。
ＳＡＥペーパ８３１２９１（１９８３年）。〕
【０００４】しかし、従来の散乱法は散乱光（レーザシ
ート）が粒子径の６乗に比例するため、大粒子径のすす
のみ検出できるが小粒子径のすすを測定することができ
ず、また同時に含まれる燃料の液滴や壁面からの反射な
どから余分な信号が生じてＳ／Ｎが悪いといった実用上
解決すべき課題がある。また、従来の透過光減衰法は光
路方向の積分情報のみであるためすすの濃度分布を測定
することができないといった実用上解決すべき課題があ
る。
ート）が粒子径の６乗に比例するため、大粒子径のすす
のみ検出できるが小粒子径のすすを測定することができ
ず、また同時に含まれる燃料の液滴や壁面からの反射な
どから余分な信号が生じてＳ／Ｎが悪いといった実用上
解決すべき課題がある。また、従来の透過光減衰法は光
路方向の積分情報のみであるためすすの濃度分布を測定
することができないといった実用上解決すべき課題があ
る。
【０００５】一方、最近では強力なレーザ光をすす粒子
に照射することによって得られる輻射熱を検出し、すす
分布を測定するレーザ誘起白熱手法（以下ＬＩＩ法と称
する）が知られている。これは他のレーザ計測手法と比
較して多くの利点を有することから注目されている〔
ＳＡＥペーパ８３１２９１（１９８３年）。ＳＡＥペ
ーパ９２０１１４（１９９２年）。ＳＡＥペーパ９２
０１１５（１９９２年）。ＳＡＥペーパ９３２６５０
（１９９３年）。〕
に照射することによって得られる輻射熱を検出し、すす
分布を測定するレーザ誘起白熱手法（以下ＬＩＩ法と称
する）が知られている。これは他のレーザ計測手法と比
較して多くの利点を有することから注目されている〔
ＳＡＥペーパ８３１２９１（１９８３年）。ＳＡＥペ
ーパ９２０１１４（１９９２年）。ＳＡＥペーパ９２
０１１５（１９９２年）。ＳＡＥペーパ９３２６５０
（１９９３年）。〕
【０００６】これらは、強力なパルスレーザシートをす
す粒子に照射し、粒子の温度をすすの蒸発温度（約４５
００Ｋ）まで瞬間的に上昇させ、このときすす粒子が放
射する白熱光（黒体放射）を超高速シャッタカメラで撮
影することによりレーザシート面内のすす粒子の体積濃
度を可視化するものである。この手法は、断面像が得ら
れること、信号強度がすす濃度にほぼ比例すること、燃
料液滴の影響を受けないこと、壁面等からの散乱光の影
響を受けないこと等の面で優れている。反面、すす粒子
が一部蒸発してしまうため同一サイクルでの反復測定が
不可能で或ること、信号強度が弱いため光路中のすすの
影響を受け易いこと等の欠点を有する。
す粒子に照射し、粒子の温度をすすの蒸発温度（約４５
００Ｋ）まで瞬間的に上昇させ、このときすす粒子が放
射する白熱光（黒体放射）を超高速シャッタカメラで撮
影することによりレーザシート面内のすす粒子の体積濃
度を可視化するものである。この手法は、断面像が得ら
れること、信号強度がすす濃度にほぼ比例すること、燃
料液滴の影響を受けないこと、壁面等からの散乱光の影
響を受けないこと等の面で優れている。反面、すす粒子
が一部蒸発してしまうため同一サイクルでの反復測定が
不可能で或ること、信号強度が弱いため光路中のすすの
影響を受け易いこと等の欠点を有する。
【０００７】そして、すす濃度の定量化にあたっては、
以下の課題がある。 （１）レーザの強度分布不均一の補正 （２）すす雲によるレーザ強度の減衰の補正 （３）すす濃度とレーザ誘起白熱信号（以下ＬＩＩ信号
と称する）との関係の明確化 （４）すす雲によるＬＩＩ信号の減衰の補正 また上記ＬＩＩ法にはすす粒子径を測定する例示はな
く、かつ経験的にＬＩＩ信号の飽和性を示唆している
が、このときのレーザ強度の敷居値を求め、また数値シ
ミュレーション等によって確認した例は全く皆無であ
る。
以下の課題がある。 （１）レーザの強度分布不均一の補正 （２）すす雲によるレーザ強度の減衰の補正 （３）すす濃度とレーザ誘起白熱信号（以下ＬＩＩ信号
と称する）との関係の明確化 （４）すす雲によるＬＩＩ信号の減衰の補正 また上記ＬＩＩ法にはすす粒子径を測定する例示はな
く、かつ経験的にＬＩＩ信号の飽和性を示唆している
が、このときのレーザ強度の敷居値を求め、また数値シ
ミュレーション等によって確認した例は全く皆無であ
る。
【０００８】ところで、燃料を直接筒内に噴射させ燃焼
するディーゼルエンジンにおいては、燃料液滴が偏在
し、燃料蒸気濃度の高い領域が生じている。そのため、
局所的に非常に高濃度のすすが存在しているものと考え
られる。かかる条件のもと、ディーゼルエンジンの筒内
のすす濃度の定量測定に前記ＬＩＩ法の適用実施を鋭意
研究した。しかし、ディーゼルエンジンの筒内のすす濃
度の定量測定には、前記（２）入射レーザ光のすすによ
るレーザ強度の減衰と、（４）測定面とカメラの間に存
在するすすによるＬＩＩ信号の減衰が実用上の大きな問
題となることを見出した。
するディーゼルエンジンにおいては、燃料液滴が偏在
し、燃料蒸気濃度の高い領域が生じている。そのため、
局所的に非常に高濃度のすすが存在しているものと考え
られる。かかる条件のもと、ディーゼルエンジンの筒内
のすす濃度の定量測定に前記ＬＩＩ法の適用実施を鋭意
研究した。しかし、ディーゼルエンジンの筒内のすす濃
度の定量測定には、前記（２）入射レーザ光のすすによ
るレーザ強度の減衰と、（４）測定面とカメラの間に存
在するすすによるＬＩＩ信号の減衰が実用上の大きな問
題となることを見出した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者等は
鋭意研究し、すす濃度を定量的に測定するには、得られ
たＬＩＩ信号に前記（２）、（４）に関する適切な補正
を行う必要があることを知見した。そして、ディーゼル
エンジンの筒内と同レベルの濃度の定常すす生成場に対
してＬＩＩ法を適用し、レーザ光やＬＩＩ信号の減衰補
正手法の幾多の検討解析を行い本発明を案出した。本発
明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもの
で、レーザシート光をすす生成場に的確に照射して精度
良く、かつ簡便にすす濃度およびすすの粒子径の測定を
行うことができるすす濃度測定方法を提供することを目
的とする。
鋭意研究し、すす濃度を定量的に測定するには、得られ
たＬＩＩ信号に前記（２）、（４）に関する適切な補正
を行う必要があることを知見した。そして、ディーゼル
エンジンの筒内と同レベルの濃度の定常すす生成場に対
してＬＩＩ法を適用し、レーザ光やＬＩＩ信号の減衰補
正手法の幾多の検討解析を行い本発明を案出した。本発
明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもの
で、レーザシート光をすす生成場に的確に照射して精度
良く、かつ簡便にすす濃度およびすすの粒子径の測定を
行うことができるすす濃度測定方法を提供することを目
的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のすす濃度測定方
法は、測定室の一端に設けた発光部により該測定室内の
すす生成場にパルスレーザシートを照射しすす温度を蒸
発点付近まで上昇させると共に、該測定室の他端に前記
発光部のパルスレーザシート照射方向に対し交差して設
けた受光部により前記すす生成場におけるすすの粒子が
輻射する白熱光を受光し、かつ当該パルスレーザシート
の強度を１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ2 の
範囲とし前記輻射強度を検出することによりすす濃度を
測定することを特徴とする。
法は、測定室の一端に設けた発光部により該測定室内の
すす生成場にパルスレーザシートを照射しすす温度を蒸
発点付近まで上昇させると共に、該測定室の他端に前記
発光部のパルスレーザシート照射方向に対し交差して設
けた受光部により前記すす生成場におけるすすの粒子が
輻射する白熱光を受光し、かつ当該パルスレーザシート
の強度を１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ2 の
範囲とし前記輻射強度を検出することによりすす濃度を
測定することを特徴とする。
【００１１】また、本発明のすす濃度測定方法は、すす
の粒子が輻射する当該粒子径に依存する異種二以上の波
長の白熱光信号を検出部により検出すると共に、輻射強
度の比を算出し当該比によりすすの粒子径を決定して信
号光の減衰を補正しすす濃度を測定することを特徴とす
る。
の粒子が輻射する当該粒子径に依存する異種二以上の波
長の白熱光信号を検出部により検出すると共に、輻射強
度の比を算出し当該比によりすすの粒子径を決定して信
号光の減衰を補正しすす濃度を測定することを特徴とす
る。
【００１２】
【発明の作用・効果】上記構成からなる本発明のすす濃
度測定方法（請求項１記載）では、発光部からすす生成
場へのパルスレーザシートの照射に伴い、すす粒子の温
度は急激に上昇し、白熱光が放射される。しかるのち、
すす粒子が蒸発し始め、粒径が減少するのに伴い白熱光
は減少する。そして、前記発光部のパルスレーザシート
照射方向に対し交差して設けた受光部は、すす粒子が輻
射する白熱光を受光し当該輻射強度を検出することによ
りすすの濃度を効率良く高精度に測定することができ
る。
度測定方法（請求項１記載）では、発光部からすす生成
場へのパルスレーザシートの照射に伴い、すす粒子の温
度は急激に上昇し、白熱光が放射される。しかるのち、
すす粒子が蒸発し始め、粒径が減少するのに伴い白熱光
は減少する。そして、前記発光部のパルスレーザシート
照射方向に対し交差して設けた受光部は、すす粒子が輻
射する白熱光を受光し当該輻射強度を検出することによ
りすすの濃度を効率良く高精度に測定することができ
る。
【００１３】ここで、パルスレーザシートの強度（以下
レーザ強度と称する）を変化させた時のＬＩＩ信号の変
化のシュミレーション結果を図１に、実験結果を図４に
示す。レーザ強度が比較的低い場合にはレーザ強度の増
加につれＬＩＩ信号は増加する。これは主に粒子の温度
上昇のためである。さらにレーザ強度が高くなるとＬＩ
Ｉ信号は飽和し、ついには減少する。これは、粒子の温
度上昇にもかかわらず、すすの蒸発により粒径が減少
し、吸収係数の減少とあいまって放射光が減少するため
である（図２）。このような特性により、前記課題
（２）、（４）を解決することができる。すなわち、レ
ーザ強度は１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ2
の範囲が好適である。
レーザ強度と称する）を変化させた時のＬＩＩ信号の変
化のシュミレーション結果を図１に、実験結果を図４に
示す。レーザ強度が比較的低い場合にはレーザ強度の増
加につれＬＩＩ信号は増加する。これは主に粒子の温度
上昇のためである。さらにレーザ強度が高くなるとＬＩ
Ｉ信号は飽和し、ついには減少する。これは、粒子の温
度上昇にもかかわらず、すすの蒸発により粒径が減少
し、吸収係数の減少とあいまって放射光が減少するため
である（図２）。このような特性により、前記課題
（２）、（４）を解決することができる。すなわち、レ
ーザ強度は１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／ｃｍ2
の範囲が好適である。
【００１４】このように、レーザ強度は、例えば、粒径
４０ｎｍの場合、４００ＭＷ／ｃｍ2 を使用すればレー
ザシートの周辺部の強度の低下している部分（１５０Ｍ
Ｗ／ｃｍ2 ）でも信号強度は中央部と同レベルに保て
る。また、同様にすす雲によりある程度減衰したレーザ
でも減衰前と同レベルの信号が得られる。図３に示すよ
うに、３４４ＭＷ／ｃｍ2 のエネルギ密度のレーザを使
用すればすす濃度１０-5ｇ／ｃｍ3 以下の場合には光路
長３．７ｃｍ以内の範囲で最大強度の９５％の信号が得
られる。これは、計測上重要な利点であり、例えば、ミ
ー散乱法のようにレーザ強度に比例する特性を持つ信号
の場合には、信号光に対してレーザ強度分布・レーザ減
衰の影響を補正しなければならないが、ＬＩＩのように
レーザ強度にほとんど影響されない信号光がえられる場
合にはこれらの補正が不要になり、すす濃度の定量測定
が効率良く高精度にできるといった実用上優れた作用効
果を奏する。
４０ｎｍの場合、４００ＭＷ／ｃｍ2 を使用すればレー
ザシートの周辺部の強度の低下している部分（１５０Ｍ
Ｗ／ｃｍ2 ）でも信号強度は中央部と同レベルに保て
る。また、同様にすす雲によりある程度減衰したレーザ
でも減衰前と同レベルの信号が得られる。図３に示すよ
うに、３４４ＭＷ／ｃｍ2 のエネルギ密度のレーザを使
用すればすす濃度１０-5ｇ／ｃｍ3 以下の場合には光路
長３．７ｃｍ以内の範囲で最大強度の９５％の信号が得
られる。これは、計測上重要な利点であり、例えば、ミ
ー散乱法のようにレーザ強度に比例する特性を持つ信号
の場合には、信号光に対してレーザ強度分布・レーザ減
衰の影響を補正しなければならないが、ＬＩＩのように
レーザ強度にほとんど影響されない信号光がえられる場
合にはこれらの補正が不要になり、すす濃度の定量測定
が効率良く高精度にできるといった実用上優れた作用効
果を奏する。
【００１５】また、上記構成からなる本発明のすす濃度
測定方法（請求項２記載）は、すすの粒子が輻射する当
該粒子径に依存する異種二以上の波長の白熱光信号を検
出部により検出した輻射強度の比によりすすの粒子径を
決定して信号光の減衰を補正しすす濃度を効率良く高精
度に測定することができる。
測定方法（請求項２記載）は、すすの粒子が輻射する当
該粒子径に依存する異種二以上の波長の白熱光信号を検
出部により検出した輻射強度の比によりすすの粒子径を
決定して信号光の減衰を補正しすす濃度を効率良く高精
度に測定することができる。
【００１６】ここで、図５に、粒径が大きく変化した時
のＬＩＩ信号の変化を示す。一定濃度でも粒径が大きく
なるとＬＩＩ信号も増加する。従って、粒径が大きく変
化する場合、濃度を検出するためには粒径情報が必要で
ある。そして、信号強度が変化する原因は図５に示すよ
うに、主に粒子の温度変化である。この温度変化によっ
て黒体放射の波長分布が変わることに着眼し、二以上の
波長の信号光の比を取って粒径の情報が得られないか検
討した。図６に２波長の比の粒径による変化を示す。粒
径の余り大きくない範囲内では適当な波長を選択するこ
とにより粒径を検出できる。
のＬＩＩ信号の変化を示す。一定濃度でも粒径が大きく
なるとＬＩＩ信号も増加する。従って、粒径が大きく変
化する場合、濃度を検出するためには粒径情報が必要で
ある。そして、信号強度が変化する原因は図５に示すよ
うに、主に粒子の温度変化である。この温度変化によっ
て黒体放射の波長分布が変わることに着眼し、二以上の
波長の信号光の比を取って粒径の情報が得られないか検
討した。図６に２波長の比の粒径による変化を示す。粒
径の余り大きくない範囲内では適当な波長を選択するこ
とにより粒径を検出できる。
【００１７】また、図７に粒径が大きく変化した時のＬ
ＩＩ信号の減衰係数の変化を示す。一定濃度でも粒径に
より減衰係数は変化する。これは、主に粒径の変化によ
るミー減衰係数の変化によるものである。減衰補正に多
層計測を行う際にも、すす粒径が大きく変化する場合に
は、すす濃度情報の他に粒径情報も必要である。この情
報を得るためにも、多色ＬＩＩが極めて有効となる。
ＩＩ信号の減衰係数の変化を示す。一定濃度でも粒径に
より減衰係数は変化する。これは、主に粒径の変化によ
るミー減衰係数の変化によるものである。減衰補正に多
層計測を行う際にも、すす粒径が大きく変化する場合に
は、すす濃度情報の他に粒径情報も必要である。この情
報を得るためにも、多色ＬＩＩが極めて有効となる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明
する。本実施例のすす濃度測定方法は、図８、図９に示
すように、濃予混合バーナ１で形成された生成場にＬＩ
Ｉ法を適用した例である。バーナ１の要部構造を図８に
それぞれ示す。窒素ボンベで加圧（ゲージ圧２．２ａｔ
ｍ ）されたタンクに液体燃料のベンゼンを密閉し、圧
送する。電子燃料噴射弁によって間欠的に噴射され、バ
ーナ１の内部に設置したマイクロヒータで蒸発させる。
また、リボンヒータでバーナ壁を加熱し、壁面への燃料
液滴の付着や擬縮を防ぐように構成されている。そし
て、フレームレストーチによって約４５０度まで加熱し
た空気をバーナ底面の２箇所から導入し、気化したベン
ゼンと混合させる。このような壁面や混合空気の加熱に
よって、バーナ１の出口での予混合気温度は約１８０度
となるため、ベンゼン燃料は完全に気化されているもの
と考えられる（ベンゼン沸点：８０．１度）。また、ベ
ンゼン火炎の保温、安定化のために、バーナ１の周囲部
にブタンー空気予混合火炎を形成する。すす濃度は、燃
料噴射量の制御（燃料噴射弁の噴射回数、噴射時期）で
変化させる。バーナ１は、燃料、空気導入部２、ミキシ
ング部、ビーズ部、ハニカム部３、外周部４から成り立
っている。
する。本実施例のすす濃度測定方法は、図８、図９に示
すように、濃予混合バーナ１で形成された生成場にＬＩ
Ｉ法を適用した例である。バーナ１の要部構造を図８に
それぞれ示す。窒素ボンベで加圧（ゲージ圧２．２ａｔ
ｍ ）されたタンクに液体燃料のベンゼンを密閉し、圧
送する。電子燃料噴射弁によって間欠的に噴射され、バ
ーナ１の内部に設置したマイクロヒータで蒸発させる。
また、リボンヒータでバーナ壁を加熱し、壁面への燃料
液滴の付着や擬縮を防ぐように構成されている。そし
て、フレームレストーチによって約４５０度まで加熱し
た空気をバーナ底面の２箇所から導入し、気化したベン
ゼンと混合させる。このような壁面や混合空気の加熱に
よって、バーナ１の出口での予混合気温度は約１８０度
となるため、ベンゼン燃料は完全に気化されているもの
と考えられる（ベンゼン沸点：８０．１度）。また、ベ
ンゼン火炎の保温、安定化のために、バーナ１の周囲部
にブタンー空気予混合火炎を形成する。すす濃度は、燃
料噴射量の制御（燃料噴射弁の噴射回数、噴射時期）で
変化させる。バーナ１は、燃料、空気導入部２、ミキシ
ング部、ビーズ部、ハニカム部３、外周部４から成り立
っている。
【００１９】火炎１１は、これの安定化を図るために火
炎１１の背後に金網５を挿入配置して成る。また、本実
施例は、周囲の空気の巻き込みを抑制するために、火炎
１１の径と同じ内径を持つドーナツ状リング６で火炎１
１を囲む構成とすることにより、一層の火炎安定化を実
現できる。この火炎１１は、強烈な輝炎を発しており、
高濃度のすすが生成されている。シース型熱電対（白金
−白金ロジウム、シース径１ｍｍ）による計測では、火
炎１１の温度は、中心軸上で約１４００〔Ｋ〕である。
図８に示す装置ですす生成場を形成し透過光減衰法とＣ
Ｔを組み合わせてこの生成場の濃度分布を測定した。こ
の分布は、複数の直線で近似すると数１、数２になる。
炎１１の背後に金網５を挿入配置して成る。また、本実
施例は、周囲の空気の巻き込みを抑制するために、火炎
１１の径と同じ内径を持つドーナツ状リング６で火炎１
１を囲む構成とすることにより、一層の火炎安定化を実
現できる。この火炎１１は、強烈な輝炎を発しており、
高濃度のすすが生成されている。シース型熱電対（白金
−白金ロジウム、シース径１ｍｍ）による計測では、火
炎１１の温度は、中心軸上で約１４００〔Ｋ〕である。
図８に示す装置ですす生成場を形成し透過光減衰法とＣ
Ｔを組み合わせてこの生成場の濃度分布を測定した。こ
の分布は、複数の直線で近似すると数１、数２になる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】ここで、τは、バーナ１の先端面から３．
３ｍｍの高さで、バーナ１の中心を通るレーザ光（１０
６４ｎｍ）の透過率である。従って、この位置における
透過率τの測定のみで、直ちにすす濃度分布を算出する
ことができるのである。このようにして本実施例は、濃
度が既知となったすす生成場に対して、ＬＩＩ法を適用
して成る。ＬＩＩ装置の概略を図９に示す。光源として
はＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎ
ｍ）を用いて成る。レーザビーム７はシリンドリカルレ
ンズ８と凸レンズ９によって幅９．５ｍｍ、焦点距離で
厚み０．５ｍｍのレーザシート光１０に形成する。さら
に、このレーザシート光１０はスリット１２で幅２ｍｍ
の光線して、すす濃度分布を測定した面にして成る。こ
こで、レーザシート光１０は、これをそのまますす生成
場に照射すると、火炎１１の下流ほどすす粒子の凝集に
よる粒径増大が原因でＬＩＩ発光が大きくなり、測定対
象位置でのダイナミックレンジが低下する。このためス
リット１２を用いてレーザ幅を細くしてある。そして、
すすから放射されるＬＩＩ光１３を、レーザ面に対して
垂直方向から高速シャッタカメラ１４で撮影する。ここ
で、シャッタ時間は最短の２０〔ｎｓｅｃ〕として成
る。また、散乱光を除去し、かつ輝炎光に対するＳ／Ｎ
比が良く成る短波長側のＬＩＩ光１３を検出するため、
２枚のショートウエーブパスフイルタを用い半値幅で２
８０〜３７０〔ｎｍ〕の信号光を得ることができた。図
中１５は検出部である。
３ｍｍの高さで、バーナ１の中心を通るレーザ光（１０
６４ｎｍ）の透過率である。従って、この位置における
透過率τの測定のみで、直ちにすす濃度分布を算出する
ことができるのである。このようにして本実施例は、濃
度が既知となったすす生成場に対して、ＬＩＩ法を適用
して成る。ＬＩＩ装置の概略を図９に示す。光源として
はＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎ
ｍ）を用いて成る。レーザビーム７はシリンドリカルレ
ンズ８と凸レンズ９によって幅９．５ｍｍ、焦点距離で
厚み０．５ｍｍのレーザシート光１０に形成する。さら
に、このレーザシート光１０はスリット１２で幅２ｍｍ
の光線して、すす濃度分布を測定した面にして成る。こ
こで、レーザシート光１０は、これをそのまますす生成
場に照射すると、火炎１１の下流ほどすす粒子の凝集に
よる粒径増大が原因でＬＩＩ発光が大きくなり、測定対
象位置でのダイナミックレンジが低下する。このためス
リット１２を用いてレーザ幅を細くしてある。そして、
すすから放射されるＬＩＩ光１３を、レーザ面に対して
垂直方向から高速シャッタカメラ１４で撮影する。ここ
で、シャッタ時間は最短の２０〔ｎｓｅｃ〕として成
る。また、散乱光を除去し、かつ輝炎光に対するＳ／Ｎ
比が良く成る短波長側のＬＩＩ光１３を検出するため、
２枚のショートウエーブパスフイルタを用い半値幅で２
８０〜３７０〔ｎｍ〕の信号光を得ることができた。図
中１５は検出部である。
【００２３】そして、本実施例は、すす濃度を固定した
場に強度を種々に変化させたレーザ光を照射し、ＬＩＩ
光輝度の変化を測定する。レーザ強度は、レーザのオッ
シレータ（アンプ段）の印可電圧によって変化させるこ
とができる。レーザ強度と共にＬＩＩ信号強度は増加す
るが、１５０ＭＷ／ｃｍ2 以上ではＬＩＩ信号の変化が
小さく、飽和性が見られた。従って、１５０ＭＷ／ｃｍ
2 以上の強度がレーザ面上で確保された場合には、レー
ザの減衰によるＬＩＩ信号の補正は必要ないことが分か
った。また、ＬＩＩの数値シミュレーションによって、
ＬＩＩ信号の強度の変化を調べた。その結果、すす温度
はレーザ強度と共に単調に増加しているのに対し、ＬＩ
Ｉ信号は実験と同様な飽和性を有する。これは、レーザ
光が強すぎると瞬時に蒸発するすすの質量が増加し、全
体のすす粒子表面積が減少するために、ＬＩＩ信号の放
出量が減るものと推測される。
場に強度を種々に変化させたレーザ光を照射し、ＬＩＩ
光輝度の変化を測定する。レーザ強度は、レーザのオッ
シレータ（アンプ段）の印可電圧によって変化させるこ
とができる。レーザ強度と共にＬＩＩ信号強度は増加す
るが、１５０ＭＷ／ｃｍ2 以上ではＬＩＩ信号の変化が
小さく、飽和性が見られた。従って、１５０ＭＷ／ｃｍ
2 以上の強度がレーザ面上で確保された場合には、レー
ザの減衰によるＬＩＩ信号の補正は必要ないことが分か
った。また、ＬＩＩの数値シミュレーションによって、
ＬＩＩ信号の強度の変化を調べた。その結果、すす温度
はレーザ強度と共に単調に増加しているのに対し、ＬＩ
Ｉ信号は実験と同様な飽和性を有する。これは、レーザ
光が強すぎると瞬時に蒸発するすすの質量が増加し、全
体のすす粒子表面積が減少するために、ＬＩＩ信号の放
出量が減るものと推測される。
【００２４】すす生成場に照射されたレーザ光の透過率
は、ランバートビーアの法則に従うと数３となる。これ
を適用して信号の減衰補正を行うのである。
は、ランバートビーアの法則に従うと数３となる。これ
を適用して信号の減衰補正を行うのである。
【００２５】
【数３】
【００２６】ただし、 Ｉ：減衰を受けた後の信号強
度、ＩO:もとの信号強度、Ｄ：粒径、Ｑｅｘｔ：効率因
子、Ｎ：粒子数密度、ｌ：光路長、ｃ：定数、Ｃｓ：す
す濃度数３中のＱｅｘｔ／Ｄが粒径Ｄに依存するため、
補正のためにはすす生成場の粒径分布が必要となる。
度、ＩO:もとの信号強度、Ｄ：粒径、Ｑｅｘｔ：効率因
子、Ｎ：粒子数密度、ｌ：光路長、ｃ：定数、Ｃｓ：す
す濃度数３中のＱｅｘｔ／Ｄが粒径Ｄに依存するため、
補正のためにはすす生成場の粒径分布が必要となる。
【００２７】本実施例では、直径が１００ｎｍの一様分
布で（このときＱｅｘｔ＝０．６５）、１ｃｍの厚みが
あるすす生成場を想定し、この場に対するレーザ光（５
３２ｎｍ）の透過率を数３から算出した。ただし、レー
ザエネルギ吸収によるすす温度の増加に起因するＱｅｘ
ｔの変化や粒子径変化は考慮しない。本実施例で用いた
レーザの最大エネルギ密度は２３０ＭＷ／ｃｍ2 である
ため、６５％以上の透過率があれば臨界値１５０ＭＷ／
ｃｍ2 を維持できる。この時のすす濃度は１．０×１０
-5 ｇ／ｃｍ3 となり、これより薄いすす濃度場ではレ
ーザ強度の補正は不必要である。
布で（このときＱｅｘｔ＝０．６５）、１ｃｍの厚みが
あるすす生成場を想定し、この場に対するレーザ光（５
３２ｎｍ）の透過率を数３から算出した。ただし、レー
ザエネルギ吸収によるすす温度の増加に起因するＱｅｘ
ｔの変化や粒子径変化は考慮しない。本実施例で用いた
レーザの最大エネルギ密度は２３０ＭＷ／ｃｍ2 である
ため、６５％以上の透過率があれば臨界値１５０ＭＷ／
ｃｍ2 を維持できる。この時のすす濃度は１．０×１０
-5 ｇ／ｃｍ3 となり、これより薄いすす濃度場ではレ
ーザ強度の補正は不必要である。
【００２８】次に、本実施例における多色ＬＩＩ法と粒
子径の決定手法について説明する。 （ａ）レーザ光を受けたすす粒子の最大温度は、すす粒
子径に依存しており、図５に示すように、粒子径が大き
いほど最大温度は上昇する傾向を持つ。このＬＩＩ信号
はグレイボデイの放射スペクトルであるが、粒子径の違
いによる最大温度の変化で、ＬＩＩ信号のスペクトルが
異なるのである。すなわち、最大温度が高い粒子径の大
きなすす粒子ほど紫外側に、より高いピークを持つスペ
クトルとなるのである。これを式で表すと数４となる。
子径の決定手法について説明する。 （ａ）レーザ光を受けたすす粒子の最大温度は、すす粒
子径に依存しており、図５に示すように、粒子径が大き
いほど最大温度は上昇する傾向を持つ。このＬＩＩ信号
はグレイボデイの放射スペクトルであるが、粒子径の違
いによる最大温度の変化で、ＬＩＩ信号のスペクトルが
異なるのである。すなわち、最大温度が高い粒子径の大
きなすす粒子ほど紫外側に、より高いピークを持つスペ
クトルとなるのである。これを式で表すと数４となる。
【００２９】
【数４】
【００３０】ここで、数４中、ａ：粒子半径、Ｔ：温
度、ｋａｂｓ：吸収係数である。また、（ｂ）ＬＩＩ信
号は、数４に示すように、吸収係数に比例するのであ
る。この吸収係数は波長や粒子径に依存するため、ＬＩ
Ｉ信号は波長や粒子径に依存するのである。上記
（ａ）、（ｂ）の理由からＬＩＩ信号スペクトルは、粒
子径に依存するため、複数の波長を同時に検出すること
により、粒子径を測定することができる。実際に粒子径
に対する２色のＬＩＩ光の信号比を、シミュレーション
によって求めると図６に示すようになる。いずれの波長
の信号比も上に凸の関数となっていることが分かり、図
６をもとに実験により得られた信号比から、粒子径を求
めることができるのである。ただし、この図６は、２価
関数となっているため、粒子径は２値得られるが、さら
に、別の波長の信号比を得ることによって真の粒子径を
特定することができるのである。
度、ｋａｂｓ：吸収係数である。また、（ｂ）ＬＩＩ信
号は、数４に示すように、吸収係数に比例するのであ
る。この吸収係数は波長や粒子径に依存するため、ＬＩ
Ｉ信号は波長や粒子径に依存するのである。上記
（ａ）、（ｂ）の理由からＬＩＩ信号スペクトルは、粒
子径に依存するため、複数の波長を同時に検出すること
により、粒子径を測定することができる。実際に粒子径
に対する２色のＬＩＩ光の信号比を、シミュレーション
によって求めると図６に示すようになる。いずれの波長
の信号比も上に凸の関数となっていることが分かり、図
６をもとに実験により得られた信号比から、粒子径を求
めることができるのである。ただし、この図６は、２価
関数となっているため、粒子径は２値得られるが、さら
に、別の波長の信号比を得ることによって真の粒子径を
特定することができるのである。
【００３１】以下、本実施例における粒子径の特定例を
説明する。図６において３００／５００ｎｍの信号比が
２．２で、３５０／５００ｎｍの信号比が１．８５であ
る場合、当該３００／５００ｎｍの図６から得られる粒
子径は、４０と１００ｎｍであり、また３５０／５００
ｎｍの図６から得られる粒子径は、７０と１００ｎｍと
なる。従って、３色同時に満たす粒子径は１００ｎｍと
なるのである。すなわち、複数（３色以上）の波長の信
号光を同時に検出することによって、粒子径をただ一つ
に決定することができるのである。
説明する。図６において３００／５００ｎｍの信号比が
２．２で、３５０／５００ｎｍの信号比が１．８５であ
る場合、当該３００／５００ｎｍの図６から得られる粒
子径は、４０と１００ｎｍであり、また３５０／５００
ｎｍの図６から得られる粒子径は、７０と１００ｎｍと
なる。従って、３色同時に満たす粒子径は１００ｎｍと
なるのである。すなわち、複数（３色以上）の波長の信
号光を同時に検出することによって、粒子径をただ一つ
に決定することができるのである。
【図１】レーザ強度を変化させたときのＬＩＩ信号の変
化状況を示す線図
化状況を示す線図
【図２】本実施例のＬＩＩシミュレーションの一例を示
す線図
す線図
【図３】本実施例のＬＩＩ信号の減衰状況を示す線図
【図４】レンジ小におけるレーザ強度に対するＬＩＩ信
号強度の変化状況を示す線図
号強度の変化状況を示す線図
【図５】すす粒径が大きく変化した時のＬＩＩ信号の変
化を示す線図
化を示す線図
【図６】２波長のＬＩＩ信号の比の粒径による変化状況
を示す線図
を示す線図
【図７】すす粒径が大きく変化した時のＬＩＩ信号の減
衰係数の変化を示す線図
衰係数の変化を示す線図
【図８】本実施例の装置の要部を示す概要図
【図９】本実施例の装置を示す概要図
１ バーナ ２ 空気導入部 ３ ハニカム部 ４ 外周部 ５ 金網 ６ ドーナッ状リング ７ レーザビーム ８ シリンドリカルレンズ ９ 凸レンズ １０ レーザシート光 １１ 火炎 １２ スリット １３ ＬＩＩ光 １４ 高速シャッタカメラ １５ 検出部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 晋平 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 渡部 哲 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内
Claims (2)
- 【請求項１】 測定室の一端に設けた発光部により該測
定室内のすす生成場にパルスレーザシートを照射しすす
温度を蒸発点付近まで上昇させると共に、該測定室の他
端に前記発光部のパルスレーザシート照射方向に対し交
差して設けた受光部により前記すす生成場におけるすす
の粒子が輻射する白熱光を受光し、かつ当該パルスレー
ザシートの強度を１５０ＭＷ／ｃｍ2 から４００ＭＷ／
ｃｍ2の範囲とし前記輻射強度を検出することによりす
す濃度を測定することを特徴とするすす濃度測定方法。 - 【請求項２】 すすの粒子が輻射する当該粒子径に依存
する異種二以上の波長の白熱光信号を検出部により検出
すると共に、輻射強度の比を算出し当該比によりすすの
粒子径を決定して信号光の減衰を補正しすす濃度を測定
することを特徴とする請求項１記載のすす濃度測定方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25455394A JPH0894526A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | すす濃度測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25455394A JPH0894526A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | すす濃度測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0894526A true JPH0894526A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=17266644
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25455394A Pending JPH0894526A (ja) | 1994-09-22 | 1994-09-22 | すす濃度測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0894526A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0959329A2 (en) * | 1998-05-22 | 1999-11-24 | National Research Council Of Canada | Absolute intensity measurements in laser induced incandescence |
| DE19904691A1 (de) * | 1999-02-05 | 2000-09-14 | Esytec En U Systemtechnik Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur simultanen In-situ-Bestimmung der Teilchengröße und Massenkonzentration von fluidgetragenen Partikeln |
| WO2001022045A1 (de) * | 1999-09-23 | 2001-03-29 | Abb Research Ltd. | Verfahren und vorrichtung zur gastemperaturmessung mit laserinduzierter weissglut-pyrometrie |
| US6366353B1 (en) * | 1999-11-05 | 2002-04-02 | Corning Incorporated | Method to determine the identity of a material in an object |
| JP2005534017A (ja) * | 2002-07-19 | 2005-11-10 | コロンビアン ケミカルズ カンパニー | レーザー誘起白熱法を用いる粒子表面積測定のためのカーボンブラックサンプリングおよびそれに基づく反応器プロセス制御 |
| GB2459452A (en) * | 2008-04-22 | 2009-10-28 | Rolls Royce Plc | Continuous wave laser induced incandescence detector |
| JP2015232474A (ja) * | 2014-06-09 | 2015-12-24 | 一般財団法人電力中央研究所 | 火炎中の粒子の撮像方法および撮像装置 |
| JP2022170219A (ja) * | 2021-04-28 | 2022-11-10 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | すすの排出特性評価方法及びすすの排出特性評価システム |
-
1994
- 1994-09-22 JP JP25455394A patent/JPH0894526A/ja active Pending
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0959329A2 (en) * | 1998-05-22 | 1999-11-24 | National Research Council Of Canada | Absolute intensity measurements in laser induced incandescence |
| JP2000055800A (ja) * | 1998-05-22 | 2000-02-25 | Natl Research Council Of Canada | レ―ザ―誘起白熱光における絶対光度測定 |
| EP0959329A3 (en) * | 1998-05-22 | 2000-11-02 | National Research Council Of Canada | Absolute intensity measurements in laser induced incandescence |
| DE19904691A1 (de) * | 1999-02-05 | 2000-09-14 | Esytec En U Systemtechnik Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur simultanen In-situ-Bestimmung der Teilchengröße und Massenkonzentration von fluidgetragenen Partikeln |
| US6496258B1 (en) | 1999-02-05 | 2002-12-17 | Esytec Energie-Und Systemtechnik Gmbh | Device and method for simultaneous in-situ determination of particle size and mass concentration of fluid-borne particles |
| DE19904691C2 (de) * | 1999-02-05 | 2003-05-28 | Esytec En U Systemtechnik Gmbh | Vorrichtung und Verfahren zur simultanen In-situ-Bestimmung der Teilchengröße und Massenkonzentration von fluidgetragenen Partikeln |
| WO2001022045A1 (de) * | 1999-09-23 | 2001-03-29 | Abb Research Ltd. | Verfahren und vorrichtung zur gastemperaturmessung mit laserinduzierter weissglut-pyrometrie |
| US6366353B1 (en) * | 1999-11-05 | 2002-04-02 | Corning Incorporated | Method to determine the identity of a material in an object |
| JP2005534017A (ja) * | 2002-07-19 | 2005-11-10 | コロンビアン ケミカルズ カンパニー | レーザー誘起白熱法を用いる粒子表面積測定のためのカーボンブラックサンプリングおよびそれに基づく反応器プロセス制御 |
| GB2459452A (en) * | 2008-04-22 | 2009-10-28 | Rolls Royce Plc | Continuous wave laser induced incandescence detector |
| JP2015232474A (ja) * | 2014-06-09 | 2015-12-24 | 一般財団法人電力中央研究所 | 火炎中の粒子の撮像方法および撮像装置 |
| JP2022170219A (ja) * | 2021-04-28 | 2022-11-10 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | すすの排出特性評価方法及びすすの排出特性評価システム |
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