JP2002514750A - 燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力計測用の圧力センサ - Google Patents
燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力計測用の圧力センサInfo
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Abstract
Description
の圧力センサに関するものである。このような圧力センサは、数100バールと
いう高い圧力と、1000℃に達する温度とを伴う過酷な環境下に置かれる。燃
焼エンジン内における動作周期毎の圧力分布を判断することを可能にする連続計
測においては、迅速な処理のために、圧力センサの動的な応答に対する要求は高
い。
数で作動させられる非常に大きな燃焼エンジンにある。そのような原動機は、例
えば、船のエンジン、または、発電機およびガス圧縮機を駆動するための定置機
関として使用される。
続ける環境への要求のために、燃焼エンジンの運転を監視することに対する要求
が増加してきた。ミスファイアリングは、排ガスの化学的組成に影響を与え、燃
焼エンジンの動作寿命にも悪影響を与える。連続計測によれば、ミスファイアリ
ングを検出することができ、適正な機能を確保するためにとられるべき動作が回
復される。
料のエージング特性が影響されないように、長期間の安定性に対する高い要求が
課される。
特許第4408496号明細書に開示されている。図1に複製して示された態様
は、円形断面を有する管状のチャネル1であって、その一端が、ガス圧力を決定
すべきシリンダ(図示略)に接続されて該シリンダに開口したチャネル1を具備
するセンサを示している。該チャネルの閉じた他端は、接続された側のシリンダ
のガス圧力が印加される比較的柔軟な膜状の円板状部分2を具備している。該円
板状部分は、管状チャネルに対して同心であり、中央突起または突出部3を具備
している。ガス圧力はチャネル1を介して円板状部分2および中央突出部3に伝
達され、力伝達手段4を介して力測定手段5に伝達される。力伝達手段は、円板
状部分に影響を与えるガス圧力からの力が力伝達手段4を介して力測定手段5に
おける張力に変換されるように形成されている。管状チャネルの他の円筒状包囲
部分は、圧力センサを構成するために、非常に硬質のものであると考えられてい
る。上記米国特許によるセンサを有するガス圧力監視のための完全なシステムは
、American Society of Mechanical Engineers Meet April 5-10, 1975(75-DGP-
11)において提供された刊行物、"CYLDET, ASEA'S SYSTEM FOR MONITORING THE C
OMBUSTION PRESSURE IN DIESEL ENGINES"に開示されている。
ANALYZERを概略的に示す"Reader ref. A1037"についての広告がある。これを参
照すると、ガス圧力は、一端が図示しないシリンダ内に開口する円形断面の比較
的薄い壁面を有するチューブを介して、チャネルの閉じた他端の円形端面に影響
を与えることができることが明らかである。チューブは、該チューブの端部にお
ける溶接部を介して、磁性材料からなる膜に接続されている。この膜は、機械的
に予め張力を印加され、溶接部を介してチューブと接触している。膜と円筒状チ
ューブとの間には、断熱のための柱が存在する。ガス圧力は、チューブ長さの変
化を開始点として使用して、間接的に決定される。接続された膜は、磁気コイル
の補助によって振動させられ、この参考文献では、振動の周波数変化の2乗が実
際のガス圧力に比例することを示している。
度のみに依存し、かつ、圧力変化として解釈されることになる膜内の張力に生ず
る振動を増大させることになるということである。さらに重大なのは、全ての圧
力パルスにおいて、チューブが圧縮ガスからの対応する断熱温度パルスを受け易
いという事実である。このパルスは、計測システムによる圧力変化として受け取
られる、チューブの長さにおける動的な変化を生ずる。これを一体に取り入れる
ことは、圧力センサが、ピーク圧力および周波数によって変化する動的な測定誤
差を導入することを意味している。
の形態をした断面を有する厚肉のチューブを具備する圧力センサが開示されてい
る。円形部分に対応する断面を有するチューブの一部が軸方向に除去されている
。チューブ内の空洞におけるシリンダ圧力により、該シリンダ圧力に比例して接
線方向にチューブの伸びが生ずる。伸びは、圧電素子によって測定される。圧電
結晶に基づく圧力センサの欠点は、それが動圧のみを測定し、したがって、静圧
を測定するために使用することができないということである。ここでも、ガス内
の対応する断熱の熱的パルスに基づく動的変位パルスが存在する。これらのよう
な測定誤差は、原動機内のシリンダの効率の評価に非常に重要である。
には、シリンダ圧力がかかり、そのシリンダ圧力は、チューブの軸方向長さおよ
び直径の両方に影響を与える。上述した米国特許では、シリンダ圧力が閉鎖端部
に影響を与える力が使用され、上述したSEC ENGINE ANALYZERにおいて、シリン
ダ圧力によって生ずる軸方向長さの変化がシリンダ圧力を決定するために使用さ
れる。円筒状チューブの直径の変化は、測定膜と圧力シリンダとの間に柱状部が
存在し、伸びは柱部を介して伝達されないという理由から、未だに、シリンダ圧
力の決定のために使用することができない。
めに適用される態様を用いて、円形チューブ内の流体圧力の測定装置を示してい
る。チューブの測定部分は円形断面である。
の同様の装置を示している。この装置から、測定部分における外面の壁面が2つ
の平坦かつ平行な表面を形成するチューブを使用することは公知である。 米国特許第4290311号明細書によれば、2つの変換器がチューブに対し
て保持されているチューブにおいて圧力を測定することは公知である。このチュ
ーブは測定点において円形の断面を有している。歪みゲージ形式の変換器が、2
つの平行な部分の間に保持され、変換器の接触面が、円形のチューブに適合する
形状に形成されている。 米国特許第3898885号明細書によれば、柔軟なホース内の流体圧力を測
定するために円形断面を有するチューブを使用することは公知である。 英国特許第2198239号明細書によれば、柔軟なホース内の流体圧力を測
定するために平坦な平行測定面を有するチューブを使用することは公知である。 米国特許第5044203号明細書からも、柔軟なホース内の流体圧力を測定
するために平坦な平行測定面を有するチューブを使用することは公知である。
たチューブを具備している。チューブの他端は、従来技術と同様に閉じられてい
る。この発明は、チューブの閉鎖端に対する圧力を使用する代わりに、チューブ
の壁内における移動をシリンダ圧力の測定のために使用することができるように
形成されていることである。
、円形チューブおよび従来技術による平坦な平行面を有するチューブとは本質的
に異なる測定部分を有するチューブの形状である。このチューブは軸方向に、シ
リンダに接続される部分、測定部分および閉鎖部分を具備している。
の壁面は、内部断面が砂時計状(瓢箪形)となるように形成されている。砂時計
状の断面は、y方向の高さ「h」を有する括れによって接続された2つの略円形
部分からなっている。計測の観点から、このことは、相互に「h」だけ離れた2
つの等価な平行測定断面を与え、各平行測定断面は、それぞれ、x方向の2つの
円形部分の中心間距離である幅「B」とz方向の軸方向長さ「L」とを有してい
る。
空洞内の圧力を伝達する測定面7,8の両側で、頑丈な梁9,10に接触してい
る。この態様は、梁9,10が、測定チューブ6に固定され、または、図3の一
部を破断した斜視図に示されているように、測定チューブと同じ材料から構成さ
れていてもよい。
中の短いパルスおよびシリンダ内における燃料の燃焼による温度変化は、誤差源
を構成する。ガス圧力による力を測定する圧力センサも温度変化による力を測定
し、したがって、測定値は誤差を含むことになる。このため、圧力センサチュー
ブ6の壁面は、温度変化の効果を最小化するように構成されている。これは、温
度変化による力の大きさを決定する要因の内の2つを低減することによって達成
される。
化による圧縮応力と比較可能な力Fsを生じさせ、Fsは以下の式で表される。 Fs=ΔT・α・h・kx ここで、 Fs=温度変化による力、 ΔT=温度変化 α=材料の膨張係数 h=測定面間の距離 kx=システムのバネ定数 である。
、バネの両端の間の距離と等価である。チューブの半円形断面の直径Hに対して
、距離hは砂時計形状における括れによって低減され、測定領域の剛性kxは、
圧力チューブの断面形状における大きな変化によって低下している。このシステ
ムのバネ定数は、2つの平坦な平行面を用いた従来技術の測定装置よりも小さい
。これら2つの要因を大きく低減することは、温度変化による測定面上の任意の
力Fsの効果を大幅に低減する。
較される。h=H/2ならば、バネ定数kxは一桁だけ低減され、砂時計状の態
様における温度変化による力Fsは、平坦な平行測定面を有する装置における効
果と比較して数分の1に低減される。
ット14〜17によって、2つの端部18,19の間の3つの部分11〜13に
、軸方向に分割されている。4つのスロットは、図2に示された測定面7,8の
両側に配されている。これらスロットは、チューブの2つの端部における機械的
条件の変化から中央の測定部分12を切り離す効果を有している。この態様にお
ける中央の測定部分は、無限に長いチューブの中央部分に近似される。無限長の
チューブに近似することの利益は、端部における圧力および温度の効果が、圧力
センサの中央測定部分に対して微々たるものになるということである。
れまたは該力測定手段に取り付けられている。図5において、チューブ6は、2
つの磁気弾性変換器を組み込んだ力測定手段とともに示されている。図2〜図5
に示される態様において、ダミーの力測定手段が、中央測定部分12のいずれか
の側の部分11,13の梁に据え付けられていてもよい。ダミーの力測定手段は
、測定部分12に据え付けられた力測定手段と同様の機械的システムである場合
には、中央の測定部分の両側の2つの部分において機能する。これにより、中央
部分と該中央部分の両側の2つの部分との間の機械的挙動の全ての相違点が低減
され、このようにして、無限長の測定チューブの理想的な効果に、より緊密に近
づくことになる。
圧力センサの態様に組み込まれたこれらの変更点により、温度パルスの影響が最
小限に低減される。
いてもよい。これらの層は、例えば、同心の層、螺旋状の層、相互に接着された
層、および同心の層と螺旋状の層の混合層として設けられていてもよい。多層壁
の態様は、同じ全体厚さの壁面に対する剛比が、単層壁の場合と比較して大幅に
低減されるという利点を与える。剛比は、チューブ壁面の厚さの3乗に従って硬
さが変化するという事実によって低減される。したがって、このことは、測定面
の同じ動作が、多層壁の態様における同じ全体壁厚に対してずっと低いガス圧力
で行われることを意味し、したがって、測定される全圧力に対して、チューブに
迂回する力の割合を大幅に低減する。
、圧力センサチューブ材料の迂回効果が大幅に低減されるので、測定精度が改善
される。
分の内側直径Hの値に近い値である。この態様では、測定チューブの壁面は、1
より多い層によって構成されている。この態様は、温度の変動による測定誤差が
十分に低減された環境において使用することができる。このことは、動作条件下
において、チューブの測定部分の測定可能な変形を生起するのに必要な低減され
た力が、温度変動による誤差を微々たるものにする、多層壁の態様によって達成
される。
のシリンダ内のガス圧力を測定するための圧力センサに対して、多くの利点を有
している。
な誤差の補償の機会を、1つの測定領域に基づく圧力センサに対するよりも良好
に得ることができる。
器を使用することにより、必要なセンサ部分の全変形量は、僅かに数μmである
。このことは、チューブによる力の「迂回」が、ガス圧力作動力に対して小さく
なることを意味している。記載されたチューブのデザインおよびヨークを有する
構造は、さらに、チャネル壁面における熱力学的効果が、測定信号に最小に影響
を与えるのみであることを意味している。他の面の形状に対する平行な測定面の
相対的な大きさ「B×L」は、選択された力の伝達および存在する測定器に適し
ている。砂時計形状および多層壁構造のような実施形態が圧力センサにおいて組
み合わせられるときに、迂回効果がさらに極小化されることになる。
な内部断面によって与えられる。このことは、シリンダからの任意の老廃物また
は粒子状物質の蓄積を防止し、簡易かつ完全に洗浄することを可能にする。圧力
センサは、例えば、保守作業中に圧縮空気を適用することにより、または、圧力
センサのシリンダに接続されていない端部に配されているバルブ(図示略)を開
くことによって、エンジンの通常運転中に、燃焼ガスを高速で均一なチューブを
通過させることにより、洗浄されてもよい。
一実施形態を示している。 図2は、この発明に係るガス圧力用圧力センサに含まれるチューブの断面を示
している。 図3は、この発明に係る実施形態の斜視図を示している。 図4は、この発明に係る実施形態の斜視図を示している。 図5は、力測定手段を有する、この発明に係る実施形態の他の斜視図を示して
いる。
態が図2に示されている。チューブ6の測定部分の壁面は、その内部断面が、括
れ部分によって相互に接続された2つの円形部分からなる砂時計形状となるよう
に形成されている。他の実施形態では、チューブの壁面は、図3に示されたよう
に、梁9,10に取り付けることもできる。前記部分12の梁の外面は、例えば
、図5に示されているように、硬質の力測定手段に取り付けられている。
ける括れにおいて小さくなっている。圧力センサチューブ6は、軸方向に沿って
、2つの端部18,19の間に、図2に示された測定面7,8の両側に配されて
いる図3に示された梁9,10内の4つのスロット14〜17によって、分割さ
れている。図2に示されたものと同様の断面を有するチューブ内の測定面は、2
つの円の中心間距離「B」に等しい等価な幅と、軸(z)方向に長さLとを有し
ている。
測定手段によって取り囲まれている。この発明の説明に記載されているチューブ
は、符号6として示されている。チューブは、ガス圧力を測定すべきシリンダ内
に延びる。チューブの他端(図示略)は閉じられている。上述したチューブ内の
平行な測定面「B×L」には、力変換ヨーク20,21が固定されている。ヨー
ク20,21は、図5に示された実施形態では、梁9,10と一体化されている
。シリンダブロック内に圧力センサを取り付けるために、センサは、図5に係る
円板状の好適な形状に形成されている。その結果、外側に湾曲したヨークの部分
は円弧形状をしている。
を構成するために測定器24,25を具備している。図示された実施形態におい
て、測定器は、PRESSDUKTOR構築原理による公知の磁気弾性測定原理に基づいて
いる。そのことは、両方の張力測定装置における凹部は、円形の膜が、チューブ
の断面を含む平面に平行な平面内のリムに形成されるように機械加工されている
。各膜には、交番電流を用いた膜の磁化のための一次巻線26、および、発生す
る電圧を測定するための巻線27用の孔が形成されている。
、円形膜が、チューブを2つの同一の半片に分割する断面を含む平面に直交する
平面と平行な平面内に配されるように機械加工が実施されている点が相違してい
る。
1,13の梁に、ダミーの力測定手段が据え付けられている。
あることは明らかである。シリンダに接続された部分、および、開口端および閉
鎖端の形状は、多くの異なる略管状の形状によって達成することができる。した
がって、チューブを構成するための開始物質は、最終的なデザインおよび利用可
能な加工または成形方法に依存して、管形状または他の任意の形状であってもよ
い。
ていてもよい。これらの層は、多くの異なる方法で設けられていてもよい。例え
ば、同心の層、螺旋状の層、相互に接着された層、同心と螺旋状の形態の混合し
た層でよい。
部直径Hに近い値である。この実施形態では、測定チューブの壁面は2以上の層
から構成されている。この実施形態は、温度の変動による測定誤差が十分に低減
された環境において使用することができる。このことは、多層壁の実施形態を用
いることにより達成され、これによれば、動作条件下でチューブの測定部分の測
定可能な変形を生成するために必要とされる低減された力により、温度変動によ
る誤差が微々たるものとなる。
視図で示された実施形態であり、測定チューブ6の壁面が2以上の層を有し、中
央測定部分12の両側において、梁11,13に、ダミーの力測定手段が据え付
けられている。
サの一実施形態を示している。
を示している。
している。
Claims (8)
- 【請求項1】 燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力を測定する圧力センサ
であって、 前記シリンダに接続し、該シリンダ内に開口する部分と、軸方向長さ(L)を
有する測定部分(12)と、閉鎖される終端部分とを軸方向に有するチューブ(
6)を具備し、 前記測定部分(12)が、高さ「h」の括れを介して相互に接続された中心間
距離「B」の2つの円形部分からなる砂時計状の断面を具備し、相互に距離「h
」だけ離れた位置に2つの平行な等価な測定面「B×L」を形成していることを
特徴とする圧力センサ。 - 【請求項2】 前記チューブの前記測定部分(12)が、1以上の壁材料の
層を具備することを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 【請求項3】 前記圧力チューブ(6)の前記測定部分(12)が、ヨーク
(20,21)に固定された梁(9,10)に接触し、前記ヨークの間には、力
測定器(24,25)を具備する張力測定装置(22,23)が接続されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧力センサ。 - 【請求項4】 前記力測定器(24,25)が、磁気弾性センサにより構成
されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧力セン
サ。 - 【請求項5】 前記力測定器(24,25)が、歪みゲージにより構成され
ていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧力センサ。 - 【請求項6】 前記圧力チューブ(6)の前記測定部分(12)が、該チュ
ーブの測定部分(12)の両側に、少なくとも1つの部分(11,13)が存在
するように、2つの端部(18,19)の間において、スロット(14,15,
16,17)によって分割された梁(9,10)に接触していることを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の圧力センサ。 - 【請求項7】 前記測定部分(12)に隣接する1以上の部分(11,13
)の梁(9,10)に、力測定手段と同様な機械的形態を具備するダミーの力測
定手段を具備することを特徴とする請求項1記載の圧力センサ。 - 【請求項8】 前記圧力センサの測定面(7,8)間の距離hが、ほぼ前記
チューブの前記円形部分の直径Hに等しいことを特徴とする請求項1または請求
項2記載の圧力センサ。
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