JP2006514291A - 高圧容器内において流体静力学的な圧力検出を超音波伝搬時間測定によって行うための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、高圧容器（２，１２）の外側で圧力測定を行える低コストの圧力測定装置および有利な圧力検出方法に関する。こうするために本装置は、該高圧容器（２，１２）の外側に取り付けられた超音波送信器（３，１３）および超音波受信器（４，１３）から成り、これらによって、該高圧容器内に含まれる液体（５，１５）を通過する超音波パルスが検出される。また圧力検出方法では、高圧容器（２，１２）の外側で超音波パルスを形成し、定義された区間（２０，２３）を該超音波パルスが通過するのに必要な時間を測定し、パルス速度を計算して、液体（５，１５）の圧力を検出する。

Description

本発明は、流体静力学的な圧力検出のための装置と、流体静力学的な圧力を検出する方法とに関する。

従来の技術
高圧容器内の液体の圧力検出はとりわけ、２，０００バールまでの液体圧力が発生するコモンレール内のディーゼル圧を測定する際、または２，０００バールまでの液体圧力が発生するガソリン噴射技術において必要である。別の産業分野においても、高圧容器内の液体圧力が測定される。これに関しては、種々の圧力測定技術が公知である。

一方では、圧力センサとしてメンブレンまたは別の塑性体が高圧容器の壁に組み込まれる。このメンブレンまたは別の塑性体の偏向が、圧電抵抗の原理にしたがってたとえばレール圧センサによって測定されるか、または容量的に測定される。圧力センサを完全に高圧室内に、ひいては非測定媒体内に直接取り付けることもできる。このことはたとえば、「振動シリンダ」（Vibrating Cylinder）測定に適用されるか、または、流体静力学的な圧力の影響を受けて電気的な輸送特性を変化させる圧電抵抗材料を使用する場合に適用される。このような圧電抵抗材料の例に、ハイポーラスのＲｕＯ_２がある。

従来の技術の欠点
公知の圧力測定技術の欠点は、封止部が必要なことである。センサが高圧容器の壁に組み込まれている場合、センサの周部全体を外部空間に対して密封しなければならない。そうしない場合は、少なくとも高圧スルーコンタクトが必要である。

高圧容器の密閉性の問題に基づいて、外側空間に対する接触場所が可能な限り小さいと有利である。ここでコンタクトを壁に貫通案内しなければならない場合、この問題は確かに縮小されるが、未だ解消されるわけではない。さらに、「振動シリンダ」測定のような測定法は面倒かつ高コストなので、通常のディーゼルコモンレール等の測定項目で使用するのにはあまり適していない。

本発明の課題
本発明の課題は、高圧容器の外側から圧力を測定することができる低コストの圧力測定装置および有利な圧力検出方法を提供することである。

課題の解決手段
前記課題は、次のことを特徴とする装置および方法によって解決される。すなわち、該装置は、圧力容器の外側に取り付けられた超音波送信器と超音波受信器とから構成され、前記超音波センサおよび超音波受信器によって、高圧容器内に含まれている液体を通過する超音波パルスの伝搬時間が求められることを特徴とする装置と、高圧容器の外側で超音波パルスを形成し、該超音波パルスが所定の区間を伝搬するのに必要な時間を測定し、パルス速度を計算して該パルス速度から液体の圧力を求めることを特徴とする方法とによって解決される。

本発明の利点
圧力の測定原理は、超音波速度とキャリア媒体の圧力との既知の関係を基礎としている。すなわち、超音波パルスの伝搬時間を測定すれば、超音波速度ひいてはキャリア媒体の圧力を推定できる。コモンレールにはテストの目的で、たとえばＩＳＯ４１１３による標準的なテスト用オイルが充填される。必要な測定手段は、標準的な部品である。それゆえ、必要な測定手段の仕入れは低コストになる。

しかし本発明の主要な利点は、超音波を高圧室の外側で形成および測定できるという事実である。したがって、高圧室に高圧の直接的な出入口を取り付けたり、密閉性に問題のある接触場所を取り付ける必要はない。

伝搬時間測定には、伝搬区間全体にわたる平均化測定を行うことも含まれる。したがって、高圧容器の容量全体にわたって平均化されるように送信器および受信器を配置するのが有利である。このような測定は、たとえば噴射供給管路の近傍で発生するような局所的な個々の圧力ピークによって損なわれることがない。

使用される部材の寸法は非常に小さいので、超音波送信器および受信器の取り付けに関して大きなフレキシビリティが得られ、とりわけ、レールに測定プローブ全体を組み込むことができる。

良好な信号雑音比のためには、形成された超音波の可能な限り大部分が実際に、被測定媒体を通過することが重要である。それゆえ、超音波送信器および超音波受信器が超音波伝導性の媒体を介して高圧容器に結合されるように構成すると有利である。この超音波伝導性の媒体は、たとえばゴム、ゲルまたは接着材である。

本測定装置を有利に発展するためには、高圧容器内部に所定の反射面を取り付ける。超音波パルスの伝搬区間は、反射面での方向転換によって長くなり、このことによって測定がより正確になる。また、超音波送信器および超音波受信器を相互に近接して配置するか、または超音波送信器が同時に受信器として機能するように構成することもできる。こうすることにより、本装置の構成がさらにコンパクトになる。反射面は理想的には、レール管の壁に対して可能な限り垂直に方向付けすべきである。これによって、０°の反射角度で反射するための理想的な反射条件が得られる。この場合、不所望の散乱作用が発生せず、超音波パルスの強度が損失することはない。反射面を単に、レール端部またはレール端部の封止ねじとすることができる。

所定の媒体における超音波速度と圧力との既知の関係は、媒体の温度に依存する。したがって絶対的な圧力検出を行えるようにするためには、この温度を把握し、本装置に１つまたは複数の温度センサを設けるのが有利である。温度は、圧力容器またはレールの１つまたは複数の場所にサーモセンサを取り付けることによって測定することができる。レールの場合、媒体の温度が管に沿って実質的に一定であると仮定される。主な温度差は、排出絞り弁の高圧‐低圧境界部分で発生し、この高圧‐低圧境界部分において液体は応力除去される。この領域を超音波パルスが通過することはできない。というのも、高圧領域内の圧力を測定しなければならないからである。したがって大抵の場合、温度センサの取り付けは超音波送信器の近傍にまで達する。別個に取り付けられた送信器および受信器によって動作する場合、２つのサーモセンサを取り付けてこれらのサーモセンサの結果を平均化することができる。

温度検出の他に択一的に、絶対的な温度を検出するために、固定された基準圧力を有する基準容量内で超音波速度を検出することもできる。したがって、本装置を有利に発展するためには、該装置にこのような基準容量が設けられるか、ないしは、このような基準容量が測定室に取り付けられる。その際には、コモンレールの管壁に縦長の凹部が、レールの通路に対して平行に配置され、該凹部内にもまた、周辺圧力または１バールの所定の圧力で被測定媒体または基準媒体が設けられる。

その際、出力される超音波パルスは基準パルスと測定パルスとに分割され、基準パルスは凹部を通過し、測定パルスは本来測定すべき容量を通過する。凹部はコモンレールより小さいので、受信器によってまず、反射された基準パルスの伝搬時間が検出され、その後で測定パルスの伝搬時間が検出される。所定の媒体内の異なる温度での圧力と超音波速度との間の既知の関係と検出された値とを整合することにより、圧力が求められる。

超音波速度と圧力と温度との間の関係は、高圧容器とりわけコモンレール用の充填材として使用される種々の媒体において公知である。温度と、較正済みの圧力および較正済みの液体を有する基準室内の超音波パルスの伝搬時間とを測定すると、コモンレール内の超音波パルスの超音波速度を検出することにより、コモンレールの充填材を推定することができる。したがって本測定装置は、少なくとも１つの温度センサと、基準圧力にある基準液体を有する基準容量とを設けることによって有利に発展される。

このような装置によってたとえば、夏季用または冬季用のディーゼルオイル等、どの燃料が給油されたかを検出することができる。この情報はとりわけ、機関制御部のために使用される。

測定されたデータと基準値との整合は、本装置の外側で行われる。または有利には、本装置に、評価ないしは整合を行うモジュールが設けられる。

さらに、上記の装置を使用してコモンレールまたはガソリン直接噴射部内の圧力値を検出する方法も、請求の範囲に記載されている。

別の有利な実施形態が、以下の説明および請求項に記載されている。

図面
図１ 相互に対向して配置された超音波送信器および超音波受信器から成る圧力検出装置を有するコモンレールまたは同様に構成された高圧容器の概略的な断面図である。

図２ 反射面および基準容量を有する圧力検出装置を備えたコモンレールまたは同様に構成された高圧容器の概略的な断面図である。

実施例の説明
図１には、コモンレール２に設けられた圧力検出装置１の概略的な断面図であり、該圧力検出装置は超音波送信器３および超音波受信器４から成る。これらは相互に対向して配置されている。超音波送信器３は超音波パルスを形成し、この超音波パルスは、コモンレール２に含まれている媒体５を長手方向６に通過し、該超音波送信器３と対向する側６において超音波受信器４によって検出される。

図２は、コモンレール１２に設けられた圧力検出装置１１の概略的な断面図であり、超音波送信器１３は同時に超音波受信器１３としても使用される。この実施例でも、超音波送信器１３は超音波パルスを形成し、この超音波パルスの一部は測定パルスとして、コモンレール１２内の媒体１５を長手方向１６に通過し、該超音波送信器１３に対向する側１７に取り付けられた反射面１８で反射される。したがって、超音波パルスはコモンレール１２を再び、逆の方向１９で通過し、超音波受信器１３によって検出される。充填材として標準的な媒体であるテストオイルＩＳＯ４１１３が使用され、温度が２０℃である場合、公知の圧力‐超音波速度関係から、レール長さ２０が３００ｍｍである場合には伝搬時間は０．４４ｍｓとなる。新規のパルスはその前のパルスの到着後に初めて形成されるので、前記の条件の場合、約２．２ｋＨｚの反復周波数が可能である。温度が１２０℃の場合の不所望な測定領域では、０バール時の伝搬時間は０．６ｍｓにまで上昇し、反復周波数は１．６ｋＨｚまで低減される。

超音波パルスの第２の部分は基準パルスとして、コモンレール１２の全長２０を通過せずに、所定の圧力で媒体が存在する基準容量２１内に入力結合される。基準容量にも反射面２２が設けられているので、第２の超音波パルス成分もまた、基準容量２１の通過後に反射され、超音波受信器１３によって検出される。基準容量２１の長さ２３はコモンレール１２の長さ２０より格段に短いので、基準パルスと測定パルスとは明確に識別できる。

基準パルスの測定は、圧力を温度に依存して検出するために使用されるか、または、基準媒体を有する２１の充填時には媒体特性１５を検出するのに使用される。

相互に対向して配置された超音波送信器および超音波受信器から成る圧力検出装置を有するコモンレールまたは同様に構成された高圧容器の概略的な断面図である。 反射面および基準容量を有する圧力検出装置を備えたコモンレールまたは同様に構成された高圧容器の概略的な断面図である。

Claims (12)

1. 流体静力学的な圧力測定を行うための装置であって、
   コモンレールまたはガソリン直接噴射部で使用される形式のものにおいて、
   圧力容器の外側に取り付けられた超音波送信器（３，１３）および超音波受信器（４，１３）から成り、
   前記超音波送信器（３，１３）および超音波受信器（４，１３）によって、該高圧容器（２，１２）内に含まれている液体（５，１５）を通過する超音波パルスの伝搬時間が検出されることを特徴とする装置。
2. 該超音波送信器（３，１３）および超音波受信器（４，１３）は、超音波伝導性の媒体を介して、該高圧容器（２，１２）に結合されるように構成されており、
   前記超音波伝導性の媒体は、たとえばゴム、ゲルまたは接着材である、請求項１記載の装置。
3. 該高圧容器（２，１２）内に、所定の反射面（１８）が取り付けられている、請求項１または２記載の装置。
4. 少なくとも１つの温度センサが設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 被測定液体が基準圧力を含む少なくとも１つの基準容器（２１）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 少なくとも１つの温度センサと、基準液体を基準圧力で含んでいる基準容量（２１）とが設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. １つまたは複数の基準値と比較するために、評価および／または整合用のモジュールが設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 流体静力学的な圧力を検出する方法であって、
   コモンレールまたはガソリン直接噴射部で実施する形式の方法において、
   高圧容器（２，１２）の外側で超音波パルスを形成し、
   定義された区間（２０，２３）を前記超音波パルスが通過するのに必要な時間を測定し、
   パルス速度を計算して、液体の圧力を検出することを特徴とする方法。
9. 流体静力学的な圧力を検出する方法であって、
   液体充填された高圧容器において実施する形式の方法において、
   該高圧容器（２，１２）の外側で超音波パルスを形成し、
   定義された区間（２０，２３）を前記超音波パルスが所定の反射面（１８，２２）まで通過して再び戻るのに必要な時間を測定し、
   パルス速度を計算して、液体の圧力を検出することを特徴とする方法。
10. 流体静力学的な圧力を検出する方法であって、
    液体充填された高圧容器において実施する形式の方法において、
    該高圧容器（２，１２）内部の温度を検出し、
    該高圧容器（２，１２）の外側で超音波パルスを形成し、
    定義された区間（２０，２３）を前記超音波パルスが所定の反射面（１８，２２）まで通過して再び戻るのに必要な時間を測定し、
    パルス速度を計算して、測定された温度で速度‐圧力曲線を整合することにより液体の圧力を検出することを特徴とする方法。
11. 流体静力学的な圧力を検出する方法であって、
    液体充填された高圧容器において実施する形式の方法において、
    該高圧容器（１２）の外側で超音波パルスを形成し、
    前記超音波パルスが所定の圧力を有する基準室（２１）を通過するのに必要な時間を測定し、
    定義された区間（２０）を前記超音波パルスが所定の反射面（１８）まで通過して再び戻るのに必要な時間を測定し、
    前記基準室内のパルス速度および高圧室内のパルス速度を計算し、値を整合することによって液体（１６）の圧力を検出することを特徴とする方法。
12. 充填材を検出する方法であって、
    液体充填された高圧容器において実施する形式の方法において、
    該高圧容器（１２）内の温度を検出し、
    該高圧容器（１２）の外側で超音波パルスを形成し、
    所定の圧力を有する基準室（２１）を前記超音波パルスが通過するのに必要な時間を測定し、
    定義された区間（２０）を前記超音波パルスが所定の反射面（１８）まで通過して再び戻るのに必要な時間を測定し、
    パルス速度を計算して、測定された温度で速度‐圧力曲線を整合することによって、異なる充填材に関して液体（１５）の材料を推定することを特徴とする方法。

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