発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明は、エンジン製造工程において、複雑な形状をした燃焼室の容積と標準容器の容積との差を、気体の交番的圧力変化を利用して、乾燥状態のままで、精度よく測定する測定装置にかかわる。
自動車等のエンジンの燃焼室容積はエンジンの性能やノッキングの特性に影響するので、その製造工程においては燃焼室容積を管理する必要がある。 しかし燃焼室は吸排気弁や点火栓等が突出していて複雑な形状をしているので、寸法を計測してその容積を算出することは非常に難しい。 エンジンの製造工程では、燃焼室が組み込まれたエンジンヘッドブロックが燃焼室が上になるように転置されてベルトコンベアによって送られてくるが、この状態において燃焼室容積を測定するのに、従来は、透明なアクリル板などを燃焼室の上に置き、その中央に穿たれた小孔にビュレットから液体を滴下し、燃焼室がいっぱいになるまでに滴下した液体の容積から燃焼室容積を求めるという方法が採られている。 しかしながら、この方法は測定に長時間を要するだけでなく、測定後に使用した液体を除去しなければならないなど、問題点が多々ある。 一方、複雑な形状の物体の体積を乾燥状態のままで測定する一つの方法として、スピーカなどの音源によって物体を入れた測定容器内部の空間に交番的な体積変化を与えて内部の気体を断熱的に圧縮膨張せしめ、そのときの交番的圧力変化の大きさから物体の体積をその形状にかかわりなく求めるという方法がある。 この種の測定方法として、出願人は特開平１０−３８６５８号において、基準容器と測定容器の双方にスピーカによって交番的体積変化を差動的に与え、そのときに生ずるこれらの容器内の気体の交番的圧力変化の大きさの比、すなわち音圧の大きさの比から、交番的体積変化の大きさには無関係に、かつ、容器内の気体の静圧力にも影響されないで、測定容器の中に入れた物体の体積とそれと比較される標準物体の体積との差を測定する音響式体積計を示した。 以下、これを前願発明と称する。 発明が解決しようとする課題 前願発明において比較される標準物体の体積が既知であれば、これに測定された体積差を加えて被測定物体の体積を知ることができるが、燃焼室の場合には、求められるものは、測定容器の中に入れた物体の体積ではなく、燃焼室という容器の容積そのものである。 したがって、前願発明と同じように容器内の気体の音圧の大きさを利用するにしても、前願発明をそのまま適用することはできず、それとは異なった構造と測定方式を持つ新しい装置を創出する必要がある。 課題を解決するための手段 上記のような課題を解決するための本発明装置の一形態は、一つの基準容器と、この基準容器を転置したエンジンヘッドブロックの燃焼室の上に載せたときに、基準容器内部の空間と燃焼室内部の空間に交番的体積変化を差動的に与えるように設置されたスピーカなどの音源と、体積変化が与えられたことによって生ずる上記二つの空間のそれぞれの内部の交番的圧力変化を検出するマイクロホン等の圧力検出器と、検出された圧力変化の大きさの比を測定する手段と、基準容器を燃焼室に載せたときの圧力変化の大きさの比と、基準容器を標準容器に載せたときの圧力変化の大きさの比とから、燃焼室の容積と標準容器の容積との差を求める手段とからなる。 本発明においては、容器の形状は測定に影響しないから、上記の比較される標準容器は燃焼室と同じ形状である必要はない。 たとえば金属ブロックの上面を平面に加工し、この面に円柱状の窪みを穿ったものを標準容器として使用すれば、その容積は寸法測定により容易に求められる。 したがって本発明装置により燃焼室の容積と上記の標準容器の容積との差が測定されたならば、この容積差に寸法から求められた標準容器の容積を加えることにより燃焼室容積が求められる。 ただ、実際のエンジン製造工程では、燃焼室容積の絶対値は必ずしも必要ではなく、燃焼室容積の標準値からの容積差だけが知れればそれで十分という場合も多い。 発明の効果 本発明装置を使用すれば、エンジン燃焼室の容積を、液体を使うことなく、乾燥状態のままで検査することができる。 所要時間は燃焼室一つ当たり数秒以下で済むので、エンジンの生産効率は大いに向上する。 以下、実施例により本発明の動作原理などを詳細に説明する。 第１実施例 図１において、１は内部空間の容積がＶ １ 、の基準容器、２は上下が転置されたエンジンヘッドブロックで３は容積Ｖの燃焼室である。 基準容器１はその下部にアダプタ８が付けられており、この状態で基準容器１を燃焼室３の上に載せるが、このときアダプタ８の下面とエンジンヘッドブロック２の上面が密着して燃焼室３内部の空間が音響的にシールされる。 しかし、アダプタを付けずに基準容器１をそのまま燃焼室の上に載せても測定に必要な音響的シールが得られる場合もあるので、アダプタ８は必須のものではない。 基準容器１の隔板４にはスピーカ６が付けられており、端子１３を通して交番的な駆動信号ｓがスピーカ６に供給されるとスピーカのコーン状の振動板７が振動し、その表裏によって基準容器１と燃焼室３の内部空間に微小な体積変化が差動的に与えられる。 その結果生じた基準容器１内部の圧力変動はマイクロホン１１によって検出され、その出力信号ｅ １は信号処理装置１５にとりこまれる。 また、燃焼室３内部の圧力変動は可撓性チューブ１４を通ってマイクロホン１２に導かれて検出され、その出力信号ｅ ２も信号処理装置１５にとりこまれる。 隔板４を貫通する連通管５は基準容器１と燃焼室３内部の静圧が等しくなるように平衡させる働きを有するが、仮にこれがなくても、燃焼室３の内部の静圧は大気圧であり、基準容器１の内部はスピーカのコーン７の紙のすき間などを通して燃焼室３に通じていてその静圧も大気圧に保たれているから、連通管８は必ずしも必要なものではない。 なおＶ ２は、隔板４の下の空間とこれに通ずる容積Ｖの燃焼室３の空間の全部の容積を表わす。 図２は信号処理装置１５の構成の一例を示すものである。 マイクロホン１１、１２の出力信号ｅ １およびｅ ２は増幅器２１および２２によって増幅されたのち、それぞれアナログディジタル変換器２３および２４によってディジタル量に変換されディジタル計算機２５にとり込まれる。 ２６は信号発生器で、交番的なスピーカ駆動信号ｓを発生してスピーカ６に供給するとともに、同期パルスを発生し、導線２７を通してアナログディジタル変換器２３、２４とディジタル計算機２５に供給する。 上記のアナログディジタル変換と計算機へのデータのとり込みはこの同期パルスに同期して行なわれる。 いま、スピーカ駆動信号ｓによってスピーカ６が駆動され、振動板７が押し出されて隔板４より下の全空間の容積Ｖ ２がΔＶ Ｓなる微小体積だけ圧縮されるものとすると、基準容器１の内部容積Ｖ １ 、はΔＶ Ｓだけ膨張する。 また連通管５を通して隔板４より下の空間にΔＶ Ｐなる微小体積の気体が流入するものとすると、基準容器１からはΔＶ Ｐの体積の気体が連通管５を通して流出する。 このとき基準容器１の内部空間および隔板４より下の空間に生ずる微小圧力変化をそれぞれ−ΔＰ １ 、ΔＰ ２とし、また
とおくと、気体の断熱変化の関係式よりつぎのようになる。
ここでＰ ０は基準容器１および隔板４より下の空間の内部の気体、通常は空気、の平均的な静圧であり、γ（ガンマ）はその気体の比熱比で、空気では約１．４である。 上記二つの式より
あるいは
なる関係式がえられるが、Ｖ １は一定値であるから、容積Ｖ ２は圧力変化の大きさの比ΔＰ １ ／ΔＰ ２と線形な関係にある。 容積Ｖ ２は燃焼室３の容積Ｖにアダプタ８の内部の容積を加えたものであるから、燃焼室容積ＶもまたΔＰ １ ／ΔＰ ２と線形な関係にある。 スピーカ６を駆動する交番的信号ｓが周波数ｆの正弦波の場合には、マイクロホン１１、１２の出力信号ｅ １ 、ｅ ２もまた同じ周波数の正弦波信号となるが、ディジタル計算機２５においては、これらの信号のサンプル値を一定数だけとり込み、そのとり込まれたデータをフーリエ変換してｅ １ 、ｅ ２の振幅Ｅ １およびＥ ２を精密に測定し、これらの振幅の比
で圧力変化の大きさの比ΔＰ １ ／ΔＰ ２を表わす。 前述したように、本発明装置は燃焼室の容積Ｖと標準容器の容積との差を測定するものである。 すなわち標準容器の容積をＶ Ｓ１とすると
と表わされるＶ Ｄを上記の振幅比Ｒから求めるものである。 その測定式は
である。 ここでｋはこの１次式の勾配を表わす定数、Ｒ ０は基準容器を標準容器に載せたときのＲの値でこれも定数である。 計算機２５においては基準容器を被測定燃焼室に載せて測定されたＲの値からこの式に従ってそのときの容積差Ｖ Ｄが算出される。 図３は上記の測定式（８）を表わすグラフであるが、この式の係数ｋとＲ ０はキャリブレーションによって定められる。 すなわち基準容器を標準容器に載せて振幅比Ｒ ０を測定しＶ Ｄを０として（Ｒ ０ ，０）の測定原点を定める。 つぎに基準容器を容積Ｖ Ｓ２の第２の標準容器に載せて振幅比Ｒ ２を測定するが、このときの容積差はＶ Ｓ２ −Ｖ Ｓ１であるから、これによって点（Ｒ ２ ，Ｖ Ｓ２ −Ｖ Ｓ１ ）が定められ、これら２点を直線で結ぶことにより勾配係数ｋが定められる。 上記のキャリブレーションの際に使用した標準容器の容積Ｖ Ｓ１の値を計算機の中に記憶しておけば、測定された容積差Ｖ Ｄから
なる演算を行なって燃焼室容積Ｖの値が求められる。 工場の製造ラインでは同一種の多数のエンジンが製造され、これらはほぼ同じ容積の燃焼室を有するが、これらのエンジンの燃焼室容積をつぎつぎに検査するというような場合に、本発明の容積差を測定するという方式の利点が発揮される。 すなわち、測定される燃焼室の容積に近い容積の標準容器を使用すると、図３のグラフにおいて、測定に使用される範囲は測定原点（Ｒ ０ ，０）の近傍に限られる。 そして測定された小さな値の容積差Ｖ Ｄに標準容器の容積Ｖ Ｓ１を加えたものが燃焼室容積Ｖであるから、マイクロホン１１、１２の感度変化などによりグラフの勾配が正しい値から変化しても、それは燃焼室容積Ｖの測定値に対してほとんど影響しない。 たとえば、測定される燃焼室の容積が標準容器の容積Ｖ Ｓ１の上下１０％の範囲に分布しているとすると、仮に計算機２５に記憶されている測定式（８）の勾配係数ｋに１％の誤差を生じその結果容積差Ｖ Ｄの測定値に１％の誤差を生じても、最終的にえられる燃焼室容積Ｖの測定値に対してはたかだか０．１％の誤差を生ずるに過ぎない。 マイクロホンの感度変化などがあると、測定原点の振幅比Ｒ ０の値にも誤差を生じ、これによっても容積差Ｖ Ｄの測定値に誤差を生ずる。 これを修正するには、基準容器１を容積Ｖ Ｓ１の標準容器に載せて振幅比Ｒ ０を測定し、その値を用いて計算機に記憶されている測定式のＲ ０を設定し直すという、いわゆる零点調整を行なう。 しかし、上述の理由により、第２の標準容器を用いて勾配係数ｋの値まで設定し直すキャリブレーションの操作はほとんど行なう必要がなく、通常は一連の測定に先立って１回だけキャリブレーションを行なえば十分で、あとは測定の合間に随時零点調整を行なうだけで測定の精度は保たれる。 容積差を測定し、必要ならそれに標準容器の容積を加えて燃焼室容積を求めるという本発明の方式に対し、振幅比Ｒから直接に燃焼室容積Ｖの値が得られるような１次式の測定式を作ることもできる。 しかし、この場合の測定原点はＶ＝０で、測定式のグラフ上で測定に使用する範囲はこの測定原点からずっと離れたところになるので、マイクロホンの感度変化などによる測定原点の誤差と勾配係数の誤差の両方とも、同じように燃焼室容積Ｖの測定値に影響し誤差を生ずる。 したがって、一連の測定の中で何度も煩雑なキャリブレーションを行なう必要がある。
本発明の第１実施例の測定装置である。 本発明で使用される信号処理装置の一実施例である。 本発明の測定式のグラフである。 符号の説明 １ 内部容積Ｖ １の基準容器２ エンジンヘッドブロック３ 容積Ｖの燃焼室４ 隔板５ 連通管６ スピーカ７ スピーカのコーン状の振動板８ アダプタ１１、１２ マイクロホン１３ 端子１４ 可撓管１５ 信号処理装置２１、２２ 増幅器２３、２４ アナログディジタル変換器２５ ディジタル計算機２６ 信号発生器２７ 導線 |
