特許 7032801 乱流特性の導出方法および導出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-01

(45)【発行日】2022-03-09

(54)【発明の名称】乱流特性の導出方法および導出装置

(51)【国際特許分類】

   G01K 17/00 20060101AFI20220302BHJP

   G01M 15/02 20060101ALI20220302BHJP

   G01M 15/14 20060101ALI20220302BHJP

【ＦＩ】

G01K17/00 Z

G01M15/02

G01M15/14

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018070922

(22)【出願日】2018-04-02

(65)【公開番号】P2019184252

(43)【公開日】2019-10-24

【審査請求日】2021-01-15

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、ＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）革新的燃焼技術「研究開発題目名」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】801000027

【氏名又は名称】学校法人明治大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100126882

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 光永

(72)【発明者】

【氏名】中別府 修

【審査官】吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１７７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２６７７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１０２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－２２３６８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｋ １７／００－１７／２０

Ｇ０１Ｆ １／００－１／３０、

１／３４－１／５４

Ｇ０１Ｍ １５／００－１５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

乱流熱伝達場における第１計測点から第３計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、 前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における移動時間を求め、
前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性の導出方法。

【請求項2】

前記熱流束の相関係数の所定の関係は、前記熱流束の相関係数が最大となる関係である請求項１に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項3】

前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における熱流束の相互相関係数であり、
前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間であり、
前記第１計測点から第３計測点の配置および前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分を導出する請求項１または２に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項4】

前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間の熱流束の相互相関係数であり、
前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間であり、
前記第１計測点から第３計測点の配置および前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、及び前記第３計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面の法線回りの渦度を導出する請求項１または２に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項5】

前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点から第３計測点のそれぞれにおける熱流束の自己相関係数であり、
前記自己相関係数および前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分に基づいて、前記乱流特性として、前記乱流熱伝達場内の乱流における乱れのスケールを導出する請求項１または２に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項6】

乱流熱伝達場における第１計測点から第４計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、 前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と第３計測点、前記第３計測点と前記第４計測点、及び前記第４計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、前記第３計測点と前記第４計測点、及び前記第４計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における移動時間を求め、
前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性の導出方法。

【請求項7】

前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分及び前記平面に垂直な速度の成分を導出する請求項６に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項8】

前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室、タービン、またはボイラー室に形成されている請求項１から７のうちのいずれ１項に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項9】

前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、
前記熱流束の相関係数は、前記熱流束における高周波数成分の相関係数である請求項８に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項10】

前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、
前記第１計測点から第３計測点は、前記燃焼室における上死点にあるピストンの天面よりもシリンダヘッド側に配置されている請求項８または９に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項11】

前記乱流熱伝達場は、気密空間に形成されている請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の乱流特性の導出方法。

【請求項12】

乱流熱伝達場における第１計測点から第３計測点のそれぞれにおける熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点から第３計測点間におけるそれぞれの３つの移動時間を求める移動時間算出部と、
前記３つの移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性導出部と、
を備える乱流特性の導出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、乱流特性の導出方法および導出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エンジン（内燃機関）の熱効率を向上させるためには、エンジンの筒内（燃焼室内）の高温ガスから壁面を介して外部へ逃げる熱損失を低減することが重要である。熱損失を低減するためには、熱損失とエンジン筒内の乱流の関係を把握し、エンジン筒内の流動や燃料濃度の分布の制御、乱流特性に合わせた内壁面への熱輸送低減構造の導入が効果的であると考えられている。

【0003】

エンジン動作時の熱損失の状況は、温度センサを用いて壁面温度の時系列データを採取し、この温度データを境界条件とした壁面の非定常熱伝導解析を通して熱流束時系列データを算出することで把握できる。（例えば、非特許文献１、２、特許文献１参照）。一方、エンジン筒内は乱流熱伝達場となっており、高性能な熱流束の計測では乱流特性を反映した熱流束の変動が記録されることが報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－８３２０６号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】榎本良輝、他２名、”四サイクルガソリン機関の燃焼室壁への直接熱損失：（第１報，ピストンおよびシリンダライナへの熱損失）”日本機械学会論文集（Ｂ編）、５０巻４５６号（１９８４）、ｐ１９７２－１９８０

【文献】中別府修他３名、“燃焼場の壁面熱流束を計測する薄膜抵抗センサに関する研究”、日本機械学会論文集，Vol.８２，No.８４０，２０１６，DOI：１０．１２９９/transjsme.１６－０００８３

【文献】Kazuhito Dejima, Osamu NAKABEPPU, et al.、“Local three-point heat flux measurement on sub-millimeter scale in an internal combustion engine”、Proc. of 11th Asia-Pacific Conference on Combustion, P239,2017

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、乱流の効果を反映した熱流束の変動から、どのように乱流特性を導出するかについての課題があった。乱流特性を示す量としては、壁面に沿う速度、壁面の法線回りの渦度、乱流における速度や温度の乱れが持つ空間スケールの平均値や変動値などがある。計測された熱流束データから、これらの値を精度よく導出することが求められている。また、この課題は、エンジン以外の乱流熱伝達場においても同様であった。

【0007】

そこで、本発明が解決しようとする課題は、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる乱流特性の導出方法および導出装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決した本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、乱流熱伝達場における第１計測点から第３計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、前記第１計測点から第３計測点における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点から第３計測点間におけるそれぞれの移動時間を求め、前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出するものである。

【0009】

このように、乱流熱伝達場における３つの計測点で検出した熱流束の相関係数が所定の関係、例えば最大となる３つの移動時間を求め、これらの移動時間に基づいて、乱流熱伝達場における乱流特性を導出することにより、乱流熱伝達場における流体塊の移動を乱流熱伝達場内の複数の点で関連付けて計測することができる。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0010】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記熱流束の相関係数の所定の関係は、前記熱流束の相関係数が最大となる関係であるようにしてもよい。

【0011】

熱流束の相関係数の所定の関係が、熱流束の相関係数が最大となる関係であることにより、乱流熱伝達場における流体塊の移動を乱流熱伝達場内の複数の点で精度よく関連付けて計測することができる。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性をさらに精度よく導出することができる。なお、熱流束の相関係数の所定の関係が、熱流束の相関係数が最大となる関係以外の関係、例えば、熱流束の相関係数が最大に近似する関係となるようにしてもよい。

【0012】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点から第３計測点間のそれぞれにおける熱流束の相互相関係数であり、前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第１計測点から第３計測点同士の間におけるそれぞれの流体塊の移動時間であり、前記第１計測点から第３計測点の配置および前記第１計測点から第３計測点同士の間におけるそれぞれの流体塊の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分を導出するようにしてもよい。

【0013】

このように、乱流特性が、第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分である場合であっても、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0014】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点から第３計測点間のそれぞれにおける熱流束の相互相関係数であり、前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第１計測点から第３計測点同士の間におけるそれぞれ流体塊の移動時間であり、前記第１計測点から第３計測点の配置および前記第１計測点から第３計測点同士の間におけるそれぞれ流体塊の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面の法線回りの渦度を導出するようにしてもよい。

【0015】

このように、乱流特性が、第１計測点から第３計測点を含む平面の法線回りの渦度である場合であっても、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0016】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記熱流束の相関係数は、前記第１計測点から第３計測点のそれぞれにおける熱流束の自己相関係数であり、前記自己相関係数および前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分に基づいて、前記乱流特性として、前記乱流熱伝達場内の乱流における乱れのスケールを導出するようにしてもよい。

【0017】

このように、乱流特性が、前記乱流熱伝達場内の乱流における乱れのスケールである場合であっても、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0018】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、乱流熱伝達場における第１計測点から第４計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と第３計測点、前記第３計測点と前記第４計測点、及び前記第４計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点と第２計測点、前記第２計測点と前記第３計測点、前記第３計測点と前記第４計測点、及び前記第４計測点と前記第１計測点とのそれぞれの間における移動時間を求め、前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性の導出方法である。

【0019】

このように、乱流熱伝達場における４つの計測点で検出した熱流束の相関係数が所定の関係、例えば最大となる４つの移動時間を求め、これらの移動時間に基づいて、乱流熱伝達場における乱流特性を導出することにより、より多くの計測点で乱流熱伝達場における流体塊の移動を関連付けて計測することができる。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性をさらに精度よく導出することができる。

【0020】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記乱流特性として、前記第１計測点から第３計測点を含む平面に沿う速度の直交２成分及び前記平面に垂直な速度の成分を導出するようにしてもよい。

【0021】

このように、第４計測点で移動速度を計測することにより、平面に沿う速度の直交２成分に加えて、平面に垂直な速度の成分を導出することができる。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性をさらに精度よく導出することができる。

【0022】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法では、前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室、タービン、またはボイラー室に形成されているようにしてもよい。

【0023】

このように、乱流熱伝達場が内燃機関の燃焼室、タービン、またはボイラー室に形成されている場合などにおいて、内燃機関の燃焼室、タービン、またはボイラー室に形成される乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0024】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、前記熱流束の相関係数は、前記熱流束における高周波数成分の相関係数であるようにしてもよい。

【0025】

このように、熱流束の相関係数が、熱流束における高周波数成分の相関係数であることにより、熱流束における低周波数成分が除去されている。熱流束における低周波成分には、乱流熱伝達場が内燃機関の燃焼室である場合におけるピストン運動に伴う成分が含まれている。このため、熱流束における低周波数成分が除去されていることにより、ピストン運動に伴う成分が除去される。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性をより精度よく導出することができる。

【0026】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法は、前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、前記第１計測点から第３計測点は、前記燃焼室における上死点にあるピストンの天面よりもシリンダヘッド側に配置されているようにしてもよい。

【0027】

このように、内燃機関の燃焼室における上死点にあるピストンの天面よりもシリンダヘッド側は、内燃機関内における熱流束が発生しやすい領域であるので、第１計測点から第３計測点が燃焼室における上死点にあるピストンの天面よりもシリンダヘッド側に配置されていることにより、内燃機関内における熱流束が発生しやすい領域における乱流特性を導出することができる。

【0028】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法では、乱流熱伝達場は、気密空間に形成されているようにしてもよい。

【0029】

このように、乱流熱伝達場が気密空間に形成されていることにより、気密空間における乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0030】

また、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出装置は、乱流熱伝達場における第１計測点から第３計測点のそれぞれで計測した熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第１計測点から第３計測点間におけるそれぞれの３つの移動時間を求める移動時間算出部と、前記３つの移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性導出部と、を備えるものである。

【発明の効果】

【0031】

本発明に係る乱流特性の導出方法および導出装置によれば、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】（Ａ）は、一実施形態に係る乱流特性導出システムの側断面図、（Ｂ）は、その熱流束センサのセンサ部を正面から見た図である。

【図2】熱流束センサが取り付けられたエンジンの側断面図である。

【図3】乱流特性を導出する流れを説明する説明図である。

【図4】計測点の座標と速度、渦度を説明する図である。

【図5】計測点を正三角形状に配置した場合の計測点の座標と速度、渦度を説明する図である。

【図6】（Ａ）は、実施例１の３つの計測点でそれぞれ計測した熱流束のクランク角度ごとの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、その高周波成分のクランク角度ごとの変化を示すグラフである。

【図7】（Ａ）は、実施例１の２つの計測点間の相互相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、実施例１の３つの計測点の自己相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフである。

【図8】（Ａ）は、実施例１の熱流束におけるｘ方向の速度成分ｕの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例１の熱流束におけるｙ方向の速度成分ｖの分布を示すヒストグラムである。

【図9】（Ａ）は、実施例１の熱流束における渦度ωの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例１の熱流束の乱流スケールＬを示すグラフである。

【図10】実施例１における乱流スケールの逆数と速度の二乗の関係を示すグラフである。

【図11】（Ａ）は、実施例２の３つの計測点でそれぞれ計測した熱流束のクランク角度ごとの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、その高周波成分のクランク角度ごとの変化を示すグラフである。

【図12】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の２つの計測点間の相互相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、実施例２における燃焼後の２つの計測点間の相互相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフである。

【図13】（Ａ）は、実施例２の３つの計測点の自己相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフ、（Ｂ）は、実施例２の３つの計測点の自己相関係数の遅れ時間ごとの変化を示すグラフである。

【図14】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の熱流束のｘ方向の速度成分ｕの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例２における燃焼後の熱流束のｘ方向の速度成分ｕの分布を示すヒストグラムである。

【図15】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の熱流束のｙ方向の速度成分ｖの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例２における燃焼後の熱流束のｙ方向の速度成分ｖの分布を示すヒストグラムである。

【図16】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の熱流束の渦度ωの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例２における燃焼前の熱流束の渦度ωの分布を示すヒストグラムである。

【図17】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の熱流束の乱流スケールＬの分布を示すヒストグラム、（Ｂ）は、実施例２における燃焼前の熱流束の乱流スケールＬ乱流スケールＬの分布を示すヒストグラムである。

【図18】（Ａ）は、実施例２における燃焼前の乱流スケールの逆数と速度の二乗の関係を示すグラフ、（Ｂ）は、実施例２における燃焼後の乱流スケールの逆数と速度の二乗の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の一実施形態に係る乱流特性の導出方法および導出装置について、図面を参照して具体的に説明する。図１（Ａ）は、一実施形態に係る乱流特性導出システムの側断面図、（Ｂ）は、その熱流束センサのセンサ部を正面から見た図である。図１（Ａ）に示すように、乱流特性導出システム１は、乱流特性導出装置１０と、熱流束センサ２０とを備えている、乱流特性導出装置１０は、熱流束検出部１１と、移動時間算出部１２と、乱流特性導出部１３とを備えている。

【0034】

熱流束センサ２０は、アダプタ２１と、センサ部２２と、を備えている。センサ部２２は、アダプタ２１の先端に取り付けられている。アダプタ２１には、先端と後端とを貫通する貫通穴２３が形成されている。熱流束センサ２０におけるセンサ部２２と乱流特性導出装置１０は、配線３０によって接続されており、配線３０は、貫通穴２３を通っている。センサ部２２は、図１（Ｂ）に示すように、円盤状の基板２２Ｍを備えており、基板２２Ｍには、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃが取り付けられている。

【0035】

このうち、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃは、それぞれ正三角形の頂点に配置されている。また、基板２２Ｍの直径は、例えば約９００μｍであり、隣接する計測点同士（第１計測点２２Ａと第２計測点２２Ｂ、第２計測点２２Ｂと第３計測点２２Ｃ、第３計測点２２Ｃと第１計測点２２Ａ）の間の距離は、例えば約７７９μｍである。

【0036】

熱流束センサ２０は、図２に示すように、乱流熱伝達場となるエンジン５０における燃焼室５１内の内表面に、センサ部２２における第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃが露出するようにして取り付けられている。第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃの配置位置は、それぞれ第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３となる。

【0037】

熱流束センサ２０のセンサ部２２が取り付けられるエンジン５０は、上記の燃焼室５１および燃焼室５１を内包するエンジンブロック（シリンダブロック）５２を備えている。さらに、エンジン５０は、吸気バルブ５３、排気バルブ５４、及び図示しない点火プラグ等が設けられたシリンダヘッド５５、燃焼室５１内を上下するピストン５６、およびピストン５６を上下動させるコンロッド５７を備えている。

【0038】

本実施形態において、熱流束センサ２０のセンサ部２２は、シリンダヘッド５５に設けられた排気バルブ５４の近傍におけるエンジンブロック５２に埋め込まれて取り付けられている。センサ部２２は、エンジン５０の燃焼室５１における上死点にあるピストン５６の天面よりもシリンダヘッド５５側（天面よりも高い位置）に配置されているのがよいが、その他の位置に配置されていてもよい。例えば、センサ部２２は、エンジンブロック５２における点火プラグの側方や、ピストン５６の上面に取り付けられていてもよい。あるいは、燃焼室５１における上死点にあるピストン５６の天面よりもクランクシャフト側（天面よりも低い位置）に配置されていてもよい。

【0039】

熱流束センサ２０のセンサ部２２の表面は、取り付けられたエンジンの燃焼室５１の内面に対して面一となるようにされている。このため、熱流束センサ２０のセンサ部２２の表面は、たとえば、燃焼室５１における側方に取り付けられる際には、エンジンブロック５２の内側に形成されるシリンダの側壁の曲面に沿った曲面状としてもよい。ここで、センサ部２２における第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃは、極狭の範囲に配置されているので、シリンダの側壁の曲面は、平面に近似して考えることができる。

【0040】

また、熱流束センサ２０のセンサ部２２は、ピストン５６やシリンダヘッド５５に取り付けられていてもよい。熱流束センサ２０のセンサ部２２がピストン５６に取り付けられる場合などは、熱流束センサ２０のセンサ部２２の表面は平面状としてもよい。また、熱流束センサ２０のセンサ部２２の表面は、取り付けられたエンジン５０の燃焼室５１に対して面一となるようにされているが、面一ではなく、表面から若干出っ張ったり、逆に引っ込んだりした態様であってもよい。

【0041】

熱流束センサ２０のセンサ部２２における第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃは、それぞれエンジン５０の燃焼室５１内における乱流熱伝達場の第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３のそれぞれの温度を計測して、乱流特性導出装置１０に送信する。乱流特性導出装置１０では、熱流束検出部１１において、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃから送信された温度の温度変化を求め、温度変化に基づいて一次元非定常熱伝導解析を行って、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３のそれぞれの位置における熱流束を検出する。なお、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃの一部または全部を抵抗体で形成し、抵抗体の抵抗温度計数および抵抗値に基づいて、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃの温度変化を求めるようにしてもよい。あるいは、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃは、熱電対などの温度計によって構成してもよい。さらには、これらのものを組み合わせて構成してもよく、第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃに対して同種のものを用いてもよいし、異種のものを用いてもよい。

【0042】

乱流特性導出装置１０における移動時間算出部１２は、熱流束検出部１１で検出された第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃのそれぞれの位置における乱流の熱流束に基づいて、乱流の第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃの間における流体塊の移動時間を算出する。ここでは、例えば、第１計測点２２Ａと第２計測点２２Ｂの間の移動時間、第２計測点２２Ｂと第３計測点２２Ｃの間の移動時間、第３計測点２２Ｃと第１計測点２２Ａの間の移動時間、の３つの移動時間を計測する。また、その他の計測点の間の移動時間を検出するようにしてもよい。

【0043】

乱流特性導出部１３は、移動時間算出部１２で算出した移動時間等に基づいて、燃焼室５１内の乱流熱伝達場における乱流特性を導出する。乱流特性導出部１３で導出される乱流特性には、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分である第１速度成分ｕと第２速度成分ｖ、および燃焼室５１の壁面に相当する平面の法線回りの渦度ωが含まれる。また、乱流特性導出部１３で導出される乱流特性には、燃焼室５１内における乱流の乱れのスケールＬが含まれる。

【0044】

乱流特性導出装置１０では、図３に示すように、単サイクル解析と、単サイクル解析を複数回実行する複数サイクル解析を行う。単サイクル解析では、隣接３点熱流束計測により、エンジン５０の燃焼室５１における隣接３点（第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３）の熱流束時系列データｆ１、ｆ２、ｆ３を検出する。第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３は、あらかじめ記憶された位置である。

【0045】

続いて、相関解析により、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の位置(座標)と熱流束時系列データｆ１、ｆ２、ｆ３から２つの計測点間における３組の熱流束の相互相関係数を求め、熱流束信号に類似波形が現れる時間差から乱れが２つの計測点間を移動する移動時間τ12、τ23、τ31を求める。また、熱流束時系列データの自己相関係数を求め、乱流の乱れが第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３を通過する通過時間τ11、τ22、τ33を求める。

【0046】

さらに、乱流特性の導出として、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３と組み合わせて、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分である第１速度成分ｕと第２速度成分ｖ、および燃焼室５１の壁面に相当する平面の法線回りの渦度ωを導出する。また、乱流特性として求めた燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分である第１速度成分ｕと第２速度成分ｖと自己相関係数とに基づいて乱れスケールを導出する。

【0047】

図１に示す乱流特性導出装置１０では、熱流束検出部１１において、エンジン５０の燃焼室５１における第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の熱流束時系列データｆ1、ｆ2、ｆ3を生成する。また、移動時間算出部１２において、熱流束時系列データｆ1、ｆ3、ｆ3から２つの計測点間における３組の熱流束の相互相関係数を求め、熱流束信号に類似波形が現れる時間差から乱れが２つの計測点間を移動する移動時間τ12、τ23、τ31を求める。また、移動時間算出部１２において、熱流束時系列データの自己相関係数を求め、乱流の乱れが第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３を通過する通過時間τ11、τ22、τ33を求める。また、乱流特性導出部１３において、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分である第１速度成分ｕと第２速度成分ｖ、および燃焼室５１の壁面に相当する平面の法線回りの渦度ω、さらには乱流の乱れのスケールＬを算出する。エンジン５０内の乱流特性を示す速度成分ｕ、ｖ、渦度ω、および乱れスケールＬが求められる。

【0048】

また、乱流特性導出装置１０は、エンジン５０における複数のサイクルでこの手順を繰り返す複数サイクル解析を行う。乱流特性導出装置１０は、複数サイクル解析により、第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ、渦度ω、および乱れスケールＬの平均量、変動量、および乱流スペクトルを求める。以下、乱流特定としての速度成分ｕ、ｖ、渦度ω、および乱れスケールＬの導出手順について説明する。

【0049】

[熱流束の検出]
エンジン５０の燃焼室５１内の熱流束を検出するためには、まず、燃焼室５１の内壁面上の熱輸送に影響する乱流スケールよりも小さな領域内で、図２（Ｂ）に示すように、三角形、例えば正三角形の頂点を構成する３点である第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３で同時に熱流束を計測する。第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３が正三角形の頂点に配置されていることにより、乱流特性を算出する際の算出式を簡便な式とすることができる。なお、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３が頂点に配置される三角形は、正三角形以外の三角形でもよく、例えば、二等辺三角形でもよいし、不等辺三角形でもよい。

【0050】

エンジン５０の内壁面の熱流束は、エンジン５０の圧縮工程から膨張行程にかけてのピストン５６が上死点付近にある期間に増加する。熱流束センサ２０は、この熱流束が増加する期間に熱流束を計測する。なお、乱流特性導出装置１０では、この期間に得られた熱流束のデータに基づいてエンジン５０内の乱流特性を導出する。

【0051】

[高周波数成分熱流束データの作成]
エンジン５０の燃焼室５１内で計測した熱流束データには、ピストン運動に伴う低周波数の変動と乱流運動に伴う高周波数の変動が含まれている。乱流特性を導出する際には、高周波数の変動成分を利用すると歪みの少ない特性が得られるため、低周波数成分を除去した高周波数成分の熱流束データを作成する。なお、ここでの高周波数成分は、熱流束データ（対象とするデータ）から低周波成分が除かれた熱流束データの成分である。

【0052】

高周波数成分の熱流束データを作成するためには、例えば、計測したデータから移動平均処理による低周波数成分データを作成し、この低周波数成分データを元の測定データから減じる手法を利用することができる。なお、熱流束データから除去される低周波数成分は、例えば、エンジン回転数の２０～４０倍程度の周波数とする。具体的に、例えば、エンジン回転数が２０００ＲＰＭ（＝３３．３Ｈｚ）であるときには、８００Ｈｚ以下の熱流束データをノイズとして除去される低周波数成分のデータとする。

【0053】

[燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分：ｘ方向の速度成分ｕ、第２速度成分：ｙ方向の速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ωの導出]
例えば、エンジン５０の燃焼室５１における第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３を含む平面上のｘ－ｙ座標を設定し、図４に示すように、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の３点の座標をそれぞれＰ１（0,y1）、Ｐ２（x2,0）、Ｐ３（x3,0）として設定する。この第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の３点でそれぞれ計測した熱流束の高周波数成分データをそれぞれ熱流束時系列データｆi（t）（i=1,2,3）とする。これらの３つの熱流束時系列データｆ1（ｔ）、ｆ2（ｔ）、ｆ3（ｔ）の中から、異なる２つのデータを選んだ３通りの組み合わせ（i=1,j=2），（i=2,j=3），（i=3,j=1）に対して、下記（１）式で定義される３つの相互相関係数Φij（Φ12,Φ23,Φ31）を時間差τに対して算出し、算出した相互相関係数Φijが最大値を取る時間差より、２つのセンサ間を乱れが移動する移動時間τij（τ12,τ23,τ31）を求める。なお、相互相関係数Φijとは、２点で観測された信号波形の間の相関の度合いを示し、一方の信号の時間をずらしながら相互相関係数を計算し、最大相関を示す時間差を求めることで、現象や情報が２点間を移動する時間を求められる。ここで、時間差τは想定される乱れの移動時間程度に、また、時間ｔの変域ｔａ～ｔｂは乱流変動の複数周期を含むように定める。

【0054】

【数1】

【0055】

このとき、相互相関係数Φij（Φ12,Φ23,Φ31）が最大値を取る３通りの移動時間τij（τ12、τ23、τ31）と第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の配置から、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ωは、下記（２）式で表すことができる。

【0056】

【数2】

【0057】

例えば、図５に示すように、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３がそれぞれ一辺の長さがｌの正三角形の頂点に配置されている場合、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の座標がそれぞれＰ１(0,l×３^1/2/2)、Ｐ２(-l/2,0)、Ｐ３(l/2,0)として、壁面上の解析用ｘ－ｙ座標を取る。第１計測点２２Ａ～第３計測点２２Ｃで測った熱流束データの相互相関係数から得られた移動時間τ12，τ23，τ31とセンサ間距離ｌを用いて、（３）式より壁面に沿う速度の第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖと壁面の法線回りの渦度ωを算出する。

【数3】

こうして、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ωを求めることができる。

【0058】

[乱れスケールの導出]
乱流の乱れスケールを導出するにあたり、３つの熱流束時系列データｆ1（ｔ）、ｆ2（ｔ）、ｆ3（ｔ）のそれぞれの自己相関係数Φii（i=1,2,3）を時間差τに対して（４）式で算出し、τ＝０の次に極大となる時間差より乱れが各計測点を通過する移動時間τii（i=1,2,3）を求める。なお、自己相関係数Φiiとは、観測された信号波形とその波形の時間をずらした波形間の相関の度合いを示し、極大相関を示す時間差を求めることで、観測波形が持つ周期現象の周期を求められる。

【0059】

【数4】

【0060】

また、下記（５）式に示すように、同時に計測した３つの熱流束時系列データｆ1（ｔ）、ｆ2（ｔ）、ｆ3（ｔ）に対して、相互相関で求めた速度(第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ)の絶対値と、自己相関から求めた移動時間τii（i=1,2,3）と、を乗じることにより、乱れのスケールが得られる。こうして、３つの移動時間τii（i=1,2,3）から、それぞれ第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３を通過する乱れのスケールＬi（i=1,2,3）が得られる。

【0061】

【数5】

【0062】

以上の手順により、エンジン５０における燃焼室５１の内壁面上の３点で計測した熱流束のデータに基づいて、相互相関および自己相関を調べ、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の情報を用いて、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ωを導出し、さらには、燃焼室５１内を通過する乱れスケールを導出することができる。

【0063】

さらには、複数サイクルの熱流束時系列データに対して、上記の手順を繰り返してもよい。複数サイクルの熱流束時系列データに対して、上記の手順を繰り返し、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ω、燃焼室５１内を通過する乱れスケールなどの乱流特性を導出することにより、これらの乱流特性量の平均値、変動値を統計的に算出できる。また、速度を二乗したエネルギーを乱流スケールの逆数である波数のベキで表すと、ベキ指数から乱流エネルギーのスペクトル特性を導出することができる。

【0064】

このように、本実施形態に係る乱流特性の導出方法および導出装置によれば、エンジン５０の燃焼室５１における第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３の熱流束を検出し、第１計測点Ｐ１～第３計測点Ｐ３における熱流束の相関係数が最大となる移動時間を求め、この移動時間に基づいて燃焼室５１内の乱流特性を導出している。このため、燃焼室５１内における熱流束の移動を燃焼室５１内の複数の点で関連付けて計測することができるので、燃焼室５１における熱流束から乱流特性を精度よく導出することができる。

【0065】

また、乱流特性としては、燃焼室５１の壁面に相当する平面に沿う速度の直交２成分（第１速度成分ｕ、第２速度成分ｖ）および壁面の法線回りの渦度ω、燃焼室５１内を通過する乱れスケールなどとしている。これらの乱流特性について、燃焼室５１における熱流束から精度よく導出することができる。

【0066】

また、本実施形態に係る乱流特性の導出方法および導出装置によれば、検出した熱流束のデータから低周波数成分を除去して、高周波数成分によって熱流束データを作成している。このため、熱流束データに基づいて導出される乱流特性におけるエンジン回転数などに起因するノイズの影響を小さくすることができるので、乱流特性を精度よく導出することができる。

【0067】

また、本実施形態に係る乱流特性の導出方法および導出装置では、乱流熱伝達場がエンジン５０における燃焼室５１とされている。このため、乱流熱伝達場としての燃焼室５１における乱流特性を精度よく導出することができる。なお、乱流熱伝達場は、乱流によって熱の移動が生じえる領域であればよく、エンジンの燃焼室のほか、エンジン以外の内燃機関、あるいはタービンやボイラー室などであってもよい。また、乱流熱伝達場は、エンジンの燃焼室などのように気密空間であってもよいし、気密状態ではない開放空間であってもよい。

【0068】

また、上記の実施形態では、３つの計測点で移動時間を検出して、これらの計測点における移動時間に基づいて乱流特性を導出するが、４つの計測点あるいは５つ以上の計測点で移動時間を検出し、これらの計測点における移動時間に基づいて乱流特性を導出してもよい。例えば、４つの計測点で移動時間を検出する場合には、３つの計測点を含む平面（例えばエンジンブロックの壁面）に垂直な成分を導出することができる。したがって、乱流熱伝達場における熱流束から乱流特性をさらに精度よく導出することができる。

【実施例】

【0069】

次に、本実施形態に係る乱流特性の導出方法および導出装置の実施例について説明する。
[実施例１]
まず、実施例１について説明する。実施例１では、自動車用ガソリンエンジンを２０００ＲＰＭの速度でモータリングさせる条件で運転し、一辺が７７９μｍの正三角形の頂点にそれぞれ配置した第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３（図４参照）を燃焼室に設置し、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３でそれぞれ計測した熱流束から熱流束時系列データを作成した。

【0070】

図６（Ａ）は、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３の３つの計測点でそれぞれ計測した熱流束のクランク角度ごとの変化を示すグラフである。図６（Ａ）中、実線で示すグラフが第１計測点Ｐ１で計測した熱流束データ、幅の広い破線で示すグラフが第２計測点Ｐ２で計測した熱流束データ、幅の狭い破線（点線）で示すグラフが第３計測点Ｐ３で計測した熱流束データである。なお、図６（Ａ）中における各グラフに対応する滑らかな曲線は、８００Ｈｚ以下の周波数成分を示す移動平均曲線である。以後、以下のステップ１～ステップ４の手順で１サイクルの熱流束データから乱流特性を導出する。

【0071】

［ステップ１］
図６（Ａ）に示す熱流束データから８００Ｈｚ以下の周波数成分を含む移動平均データを減ずると、図６（Ｂ）に示す高周波数成分データが得られる。ここで得られる高周波数成分データは、乱流変動を含むデータである。図６（Ａ）に示すデータは、乱流変動およびピストン運動に伴う８００Ｈｚ以下の周波数成分（低周波数成分）の変動が含まれている。低周波数成分には、例えば、ピストン運動に伴う低周波数の変動が含まている。図６（Ｂ）に示すデータは、ピストン運動に伴う低周波数の変動などの乱流変動を含むデータに対してはノイズとなる低周波数成分を除去したデータである。

【0072】

［ステップ２］
続いて、図６（Ｂ）に示す３つの高周波成分熱流束データのグラフにおける２つずつの３組の組み合わせを選択し、（４）式を用いてピストンの上死点前後におけるクランク角度２０度の範囲で相互相関係数を計算する。その結果を図７（Ａ）に示す。図７（Ａ）に示すように、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２との間の相互相関係数Φ12が最大となるクランク角度の差は約２．０１°であり、角度差を時間差に換算すると１６７μｓである。相互相関係数Φ12の最大値を取る時間を、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２の間の乱流変動の移動時間τ12とする。このため、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２の間の移動時間τ12＝１６７μｓ（クランク角度＝２．０１°）が得られる。

【0073】

また、第２計測点Ｐ２と第３計測点Ｐ３との間の相互相関係数Φ23が最大となるクランク角度の差はは約１．９８°であり、時間差は１６５μｓである。このため、第２計測点Ｐ２と第３計測点Ｐ３の間の移動時間τ23＝１６５μｓ（クランク角度＝１．９８°）が得られる。また、第３計測点Ｐ３と第１計測点Ｐ１との間の相互相関係数Φ31が最大となるクランク角度の差はは約－３．２０°であり、時間差－２６７μｓである。このため、第３計測点Ｐ３と第１計測点Ｐ１の間の移動時間τ31＝－２６７μｓ（クランク角度＝－３．２０°）が得られる。

【0074】

［ステップ３］
図７（Ａ）に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の（３）式に代入することにより、シリンダ周方向の速度（図５に示すｘ方向の速度）ｕ＝０．４１ｍ／ｓ、シリンダの周から中心に向かう速度（図５に示すｙ方向の速度）ｖ＝－４．３８ｍ／ｓ、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω＝１９．２ｋｒａｄ／ｓがそれぞれ得られた。なお（３）式におけるｌ＝７７９μｍである。

【0075】

［ステップ４］
続いて、図６（Ｂ）に示す３つの高周波数成分熱流束データに対して、ピストンの上死点前後におけるクランク角度２０度の範囲で自己相関係数を計算する。その結果を図７（Ｂ）に示す。図７（Ｂ）に示すように、第１計測点Ｐ１の自己相関係数Φ11が極大となるクランク角度は約１９．０°であり、角度差を時間差に換算すると１５８２μｓである。自己相関係数Φ11がτ＝０（クランク角度＝０°）の次に極大値をとる正の時間を第１計測点Ｐ１の移動時間（通過時間）τ11とする。このため、第１計測点Ｐ１の移動時間（通過時間）τ11＝１５８２μｓ（クランク角度＝１９．０°）が得られた。

【0076】

また、第２計測点Ｐ２の自己相関係数Φ22が極大となるクランク角度は約１６．６°であり、時間差は１３８０μｓである。このため、第２計測点Ｐ２の移動時間（通過時間）τ22＝１３８０μｓ（クランク角度＝１６．６°）が得られた。また、第３計測点Ｐ３の自己相関係数Φ33が極大となるクランク角度は約１１．４°であり、時間差は９４７μｓである。このため、第３計測点Ｐ３の移動時間（通過時間）τ33＝９４７μｓ（クランク角度＝１９．０°）が得られた。

【0077】

さらに、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３のそれぞれの移動時間τ11、τ12、τ33、ステップ３で求めたｘ方向の速度成分ｕ、ｙ方向の速度成分ｖから、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３の３つの乱れスケールが得られた。その結果、第１計測点Ｐ１の乱流スケールＬ１＝６．９６ｍｍ、第２計測点Ｐ２の乱流スケールＬ２=６．０７ｍｍ、第３計測点Ｐ３の乱流スケールＬ３＝４．１７ｍｍがそれぞれ得られた。

【0078】

上記のステップ１～ステップ４の手順を連続２００サイクルの熱流束データに適用し、以下の乱流特性量が得られた。まず、ｘ方向の速度成分ｕに関して、図８（Ａ）に示すヒストグラムが得られた。図８（Ａ）に示すヒストグラムでは、正規分布に近い分布が確認され、平均値０．０６８ｍ／ｓと変動値±５．１７ｍ／ｓが得られた。ｙ方向の速度成分ｖに関しては、図８（Ｂ）に示すヒストグラムが得られた。図８（Ｂ）に示すヒストグラムでは、正規分布に近い分布が確認され、平均値０．１６４ｍ／ｓと変動値±４．４５ｍ／ｓが得られた。

【0079】

また、渦度ωに関しては、図９（Ａ）に示すヒストグラムが得られた。図９（Ａ）に示すヒストグラムでは、正規分布に近い分布が確認され、平均値－０．７３９ｋｒａｄ／ｓと変動値±２６．２ｋｒａｄ／ｓが得られた。また、乱れスケールＬに関しては、図９（Ｂ）に示すヒストグラムが得られた。図９（Ｂ）に示すヒストグラムでは、対数正規分布に近い分布が確認され、平均値＝５．１０ｍｍに対して分布範囲が１．５８ｍｍ～１６．５ｍｍ（平均値の１／３．２～３．２倍）にわたる数値が得られた。また、乱流スケールの逆数と速度の二乗の間には、図１０に示すように、べき指数が－１．８５となる関係があり、等方性乱流の特性に比べて高波数の乱れの減衰が大きいことが分かった。

【0080】

［実施例２］
続いて、実施例２について説明する。実施例２では、自動車用ガソリンエンジンを模した実験用エンジンを２０００ＲＰＭの条件で運転し、一辺が７７９μｍの正三角形の頂点にそれぞれ配置した第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３（図４参照）を燃焼室に設置し、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３でそれぞれ計測した熱流束から熱流束時系列データを作成した。

【0081】

図１１（Ａ）は、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３の３つの計測点でそれぞれ計測した熱流束のクランク角度ごとの変化を示すグラフである。図１１（Ａ）中、実線で示すグラフが第１計測点Ｐ１で計測した熱流束データ、幅の広い破線で示すグラフが第２計測点Ｐ２で計測した熱流束データ、幅の狭い破線（点線）で示すグラフが第３計測点Ｐ３で計測した熱流束データである。なお、図１１（Ａ）中における各グラフに対応する滑らかな曲線は、１２００Ｈｚ以下の周波数成分を示す移動平均曲線である。以後、以下のステップ１～ステップ４の手順で１サイクルの熱流束データから乱流特性を導出する。

【0082】

［ステップ１］
図１１（Ａ）に示す熱流束データから１２００Ｈｚ以下の周波数成分を含む移動平均データを減ずると、図１１（Ｂ）に示す高周波数成分データが得られる。ここで得られる高周波数成分データは、乱流変動を含むデータである。図１１（Ｂ）に示すデータは、ピストン運動に伴う低周波数の変動などの乱流変動を含むデータに対してはノイズとなる低周波数成分を除去したデータである。

【0083】

［ステップ２］
続いて、図１１（Ｂ）に示す３つの高周波成分熱流束データのグラフにおける２つずつの３組の組み合わせを選択し、（４）式を用いてピストンの上死点前－６０°～０°の範囲で相互相関係数を計算する。その結果を図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）に示すように、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２との間の相互相関係数Φ12が得られる。この相互相関係数Φ12を最大とする時間差から、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２の間の移動時間τ12＝－４７４μｓ（クランク角度＝－５．７０°）が得られる。同様に、第２計測点Ｐ２と第３計測点Ｐ３の間の移動時間τ23＝－０．８３３μｓ（クランク角度＝－０．０１°）、第３計測点Ｐ３と第１計測点Ｐ１の間の移動時間τ31＝４２７μｓ（クランク角度＝５．１２°）が得られる。

【0084】

さらに、図１１（Ｂ）に示す３つの高周波成分熱流束データのグラフにおける２つずつの３組の組み合わせを選択し、（４）式を用いてピストンの上死点後２０°～８０°の範囲で相互相関係数を計算する。その結果を図１２（Ｂ）に示す。図１２（Ａ）に示すように、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２との間の相互相関係数Φ12が得られる。この相互相関係数Φ12を最大とする時間差から、第１計測点Ｐ１と第２計測点Ｐ２の間の移動時間τ12＝６０．８μｓ（クランク角度＝０．７３°）が得られる。同様に、第２計測点Ｐ２と第３計測点Ｐ３の間の移動時間τ23＝－１４８μｓ（クランク角度＝－２．５１°）、第３計測点Ｐ３と第１計測点Ｐ１の間の移動時間τ31＝１３８μｓ（クランク角度＝１．６６°）が得られる。エンジン内では、燃焼によって乱流状態が変化するため、このように、燃焼時を境として熱流束データを分けて計算を行うことにより、燃焼前の乱流特性と燃焼後の乱流特性を分けて求めることができる。

【0085】

［ステップ３］
図１２（Ａ）に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の（３）式に代入することにより、燃焼前の乱流特性として、方向の速度ｕ＝－０．１８ｍ／ｓ、ｙ方向の速度ｖ＝－２．００ｍ／ｓ、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω＝０ｋｒａｄ／ｓがそれぞれ得られた。また、図１２（Ｂ）に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の（３）式に代入することにより、燃焼の乱流特性として、ｘ方向の速度成分ｕ＝－１３．５５ｍ／ｓ、ｙ方向の速度成分ｖ＝－４．１４ｍ／ｓ、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω＝４３．６ｋｒａｄ／ｓがそれぞれ得られた。

【0086】

［ステップ４］
続いて、図１１（Ａ）に示す３つの高周波数成分熱流束データに対して、燃焼前（クランク角度－６０°から０°）で自己相関係数を計算する。その結果を図１３（Ａ）に示す。図１３（Ａ）に示すように、第１計測点Ｐ１の自己相関係数Φ11が極大となるクランク角度は約４．４４°、そのときの時間差は３７０μｓである。このため、第１計測点Ｐ１の移動時間（通過時間）τ11＝３７０μｓ（クランク角度＝４．４４°）が得られた。

【0087】

また、第２計測点Ｐ２の自己相関係数Φ22が極大となるクランク角度は約１１．８８°、そのときの時間差は９９０μｓである。このため、第２計測点Ｐ２の移動時間（通過時間）τ22＝９９０μｓ（クランク角度＝１１．８８°）が得られた。また、第３計測点Ｐ３の自己相関係数Φ33が極大となるクランク角度は約４．８°、そのときの時間差は４００μｓである。このため、第３計測点Ｐ３の移動時間（通過時間）τ33＝４００μｓ（クランク角度＝４．８°）が得られた。

【0088】

また、図１１（Ａ）に示す３つの高周波数成分熱流束データに対して、燃焼後（クランク角度２０°から８０°）で自己相関係数を計算する。その結果を図１３（Ｂ）に示す。図１３（Ｂ）に示すように、第１計測点Ｐ１の自己相関係数Φ11が極大となるクランク角度は約７．７５°、そのときの時間差は６４６μｓである。このため、第１計測点Ｐ１の移動時間（通過時間）τ11＝６４６μｓ（クランク角度＝７．７５°）が得られた。

【0089】

また、第２計測点Ｐ２の自己相関係数Φ22が極大となるクランク角度は約１３．０°、そのときの時間差は１０８６μｓである。このため、第２計測点Ｐ２の移動時間（通過時間）τ22＝１０８６μｓ（クランク角度＝１３．０°）が得られた。また、第３計測点Ｐ３の自己相関係数Φ33が極大となるクランク角度は約１２．５°、そのときの時間差は１０４５μｓである。このため、第３計測点Ｐ３の移動時間（通過時間）τ33＝１０４５μｓ（クランク角度＝１２．５°）が得られた。

【0090】

さらに、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３のそれぞれの移動時間τ11、τ12、τ33、ステップＳ３で求めたｘ方向の速度成分ｕ、ｙ方向の速度成分ｖから、第１計測点Ｐ１から第３計測点Ｐ３の３つの乱れスケールが得られた。その結果、燃焼前（クランク角度－６０°から０°）のときには、第１計測点Ｐ１の乱流スケールＬ１＝０．７３ｍｍ、第２計測点Ｐ２の乱流スケールＬ２＝１．９９ｍｍ、第３計測点Ｐ３の乱流スケールＬ３＝０．８１ｍｍがそれぞれ得られた。また、燃焼後（クランク角度２０°から８０°）のときには、第１計測点Ｐ１の乱流スケールＬ１＝７．７５ｍｍ、第２計測点Ｐ２の乱流スケールＬ２＝１３ｍｍ、第３計測点Ｐ３の乱流スケールＬ３＝１２．５ｍｍがそれぞれ得られた。

【0091】

上記のステップ１～ステップ４の手順を連続２００サイクルの熱流束データに適用し、以下の乱流特性量が得られた。具体的には、燃焼前後のｘ方向の速度成分ｕについては、それぞれ図１４（Ａ）（Ｂ）に示すヒストグラムが得られた。また、燃焼前後のｙ方向の速度成分ｖについては、それぞれ図１５（Ａ）（Ｂ）に示すヒストグラムが得られた。これらのヒストグラムの分布に見られるように、燃焼前後のｘ方向の速度成分ｕおよびｙ方向の速度成分ｖについては、燃焼の前後で速度の低下が見られ、ヒストグラムの分布は中心に集まる傾向が見られた。

【0092】

また、燃焼前後の渦度ωについては、それぞれ図１６（Ａ）（Ｂ）に示すヒストグラムが得られた。これらのヒストグラムの分布に見られるように、渦度ωについては、燃焼の前後で高い渦度の頻度が減少し、低い渦度の頻度が増加する傾向が見られた。これらの速度および渦度の変化は燃焼に伴うガスの粘性の増加が影響していると推察され、エンジン内の乱流状態を把握することができる。

【0093】

また、燃焼前後の乱れスケールＬについては、それぞれ図１７（Ａ）（Ｂ）に示す分布が得られた。これらのヒストグラムの分布に見られるように、乱れスケールＬについては、燃焼の前後で平均値Ｌａｖｇが６．７８ｍｍから４．６９ｍｍに減少し、分布も小スケール側へ広がった。この結果から、乱れスケールＬは、燃焼の前後で低下することが分かった。また、乱流スケールの逆数と速度の二乗の間には、図１８に示すように、燃焼の前後でべき指数が－１．５から－１．７に変化したことが分かる。この結果から、燃焼によるガス温度の上昇に伴い、相対的に波数の大きな（スケールの小さな）乱れの減衰が生じることが分かった。

【符号の説明】

【0094】

１…乱流特性導出システム
１０…乱流特性導出装置
１１…熱流束検出部
１２…移動時間算出部
１３…乱流特性導出部
２０…熱流束センサ
２１…アダプタ
２２…センサ部
２２Ａ…第１計測点
２２Ｂ…第２計測点
２２Ｃ…第３計測点
２２Ｍ…基板
２３…貫通穴
５０…エンジン
５１…燃焼室
５２…エンジンブロック
５３…吸気バルブ
５４…排気バルブ
５５…シリンダヘッド
５６…ピストン
５７…コンロッド
Ｐ１…第１計測点
Ｐ２…第２計測点
Ｐ３…第３計測点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】