JP2015505003A - 被駆動機械に用いられるガス及び／又はエアロゾルに関する測定データを得るための装置並びに方法 - Google Patents

Abstract

機械の作動チャンバ雰囲気の監視システムを改良すべく、吸引手段（８）を有する測定装置（２）を提案する。吸引手段は、作動チャンバ（４）からエアロゾル空気混合物を引き出し、該混合物を光送信器（１５）及び光受信器（１７）を有する光センサユニットに送給する。光センサユニットは電子装置により操作される。吸引手段は圧縮空気噴射ポンプとして構成される。圧縮空気噴射ポンプは、圧縮空気送給装置（２６）、圧縮空気ノズル（３２）、好ましくは、ファンネル状の圧力放出通路、及び負圧領域（１０）を有する。圧縮空気ノズルは圧力放出通路方向に配向された流出方向を有する。圧縮空気送給装置は圧縮空気源に接続可能である。作動チャンバに接続可能な吸引経路が負圧領域に接続される。本発明によれば、光センサユニットは光送信器及び光受信器間に光通路を有し、光通路は圧縮空気ノズルの流出方向と略直交に配向されて負圧領域を通り抜ける。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載された機械に用いられるガス及び／又はエアロゾルに関する測定データを得るための測定装置を有するシステム、並びに機械内のガス及び／又はエアロゾルに関する測定データ、特に、内燃機関内のエアロゾル濃度に関する測定データを得るための監視方法に関する。

ガス及びエアロゾル濃度の監視、具体的には、内燃機関、内燃機関に燃料を供給するための燃料高圧ユニット、又は動力伝達装置の作動チャンバ内における潤滑オイルミストの監視は、損傷を避けるために非常に重要となっている。オイルミスト濃度の急速な増大は、損傷、例えば、潤滑膜の破断の兆候を示すことになる。このようにして生じた摩擦熱の結果として、オイル蒸気が生じ、このオイル蒸気が作動チャンバ内のオイルミストに凝縮し、その結果、オイルミスト濃度が急速に増大することになる。このような危険性が迅速に認識されたのであれば、適切な対処、例えば、機械又は機械の個々の部品の停止によって、爆発及びそれに付随する人への脅威並びに機械のさらなる損傷を阻止することができる。一方、他のセンサによって、このような作動雰囲気内の特定のガス成分を調べることもできる。

さらに、ピストンエンジンの軸受における潤滑膜の破断に加えて、損傷したピストンリングに起因して、いわゆる、吹抜け（blow-through）がピストンとその関連するシリンダー壁との間に生じ、ピストン／シリンダーの凝集（ピストンの焼付き）という完全な損傷をもたらすことがある。高温の燃焼ガスによる温度上昇を伴うオイルミスト濃度の増加は、このような吹抜けの兆候を示すことになる。

オイルミスト濃度を測定する最初の取組みは特許文献１から知られている。特許文献１では、ブロア（送風）によって、エアロゾルを作動チャンバから測定区画内に引き出し、該測定区画内において、放射線源及び放射線センサによって反射測定を行うことが提案されている。ここに提案されている翼付きホイールブロアは、互いに平行に配置された複数の区画に用いられることが意図されている。

このような装置の欠点は特許文献２において既に示されている。かかる装置の著しく高い構造上及び操作上の必要条件に加えて、エアロゾルを引き出すためのブロアの使用が不十分であることが分かっている。これは、このような解決策が回避されるべきであることを意味するものである。さらに、引出し操作によって排出空気もまたパイプシステムを通して引き出され、これによって、油曩の形態にあるオイル沈殿物が形成されることがあり、このオイル沈殿物がパイプラインを塞ぐ結果、測定装置の操作を困難又は不可能にするおそれがある。

これと対照的に、特許文献３及び特許文献４では、内燃機関の駆動ユニットの作動チャンバ毎に、センサユニットを各作動チャンバの内側に直接配置し、該センサユニットを光学的又は電気的伝達経路を介して内燃機関の外側に配置された評価ユニットに接続する方法が提案されている。しかしながら、このような解決策は、オイルミスト及びスプラッシュオイルの塩基濃度が長期的にはセンサを汚染し、これによって、誤警報をもたらすという欠点を有している。

その一方で、前述の特許文献２では、監視されるべき各作動チャンバにおいて、ベンチュリーノズルに基づく延長部を有するセンサユニットを設けることが提案されている。このような測定装置は、機械的な動作部分を介することなく、従って、ほとんど摩耗することなく、操作されることになる。これにいくらか類似する装置が特許文献５からも知られている。この文献及びこの文献以前に開示されている特許文献６から、光送信器及び光受信器を備える光学的測定経路に、該光学要素を可能な限りオイルミスト沈殿物等を付着させずに保つための、いわゆる、カーテンをもたらすことも既に知られている。これは、その都度、新鮮な空気流れを光学要素の近傍において光学測定経路と直交する方向に生じされることによって、達成される。しかしながら、これは、その効果と比して複雑なものとなっている。

さらに、エアロゾル混合物を駆動チャンバから光学測定経路を通して引き出すためのベンチュリーポンプのエネルギー消費が、特に、光学測定経路がパイプライを介してベンチュリーポンプに接続されたケーシング内に配置された際に、極めて高くなることが特許文献２に係る装置の欠点であることが分かっている。

欧州特許出願公開第００７１３９１号明細書 国際特許出願公開第９８／１１３３１号パンフレット 旧東ドイツ国経済特許第２３９４７４号明細書 英国特許出願公開第２１６６２３２号明細書 特開平７−３１０５１９号公報 独国特許出願公開第２６０８３９０号明細書

本発明の目的は、機械に用いられるガス及び／又はエアロゾルの測定データを得るための前述の種類の測定装置を有する改良されたシステムを提供することにある。詳細には、消費、ここでは特に、エネルギー消費が、先行技術におけるものよりも小さく維持されるべきである。

本発明のこの目的は、請求項１に記載の測定装置によって、達成されることになる。これによって、本発明の手段は、まず、必要とされる圧縮空気流れが先行技術と比較して著しく低減されるという結果をもたらすことになる。一方、本発明の該手段に特有の利点は、極めてコンパクトな構造をもたらすことができる点にある。さらに、本発明の手段によって、先行技術に係る測定装置による場合と比較して極めて良好な結果が達成されることが見出されている。

光センサユニットが、光発信器と光受信器との間の光学通路が圧縮空気ノズルの流出方向に対して位置ズレするように構成されているのであれば、有利である。この場合、引き出された駆動チャンバガス（エアロゾロ混合物）の最適な量が、光学ビームによって検出され、その一方、駆動のため、すなわち、駆動チャンバガスを引き出すためにのみ用いられる通過圧縮空気の過半量は、測定に著しい影響をもたらすことなく、測定経路の近傍を通り過ぎることになる。

光学要素を、オイルミスト沈殿物を付着させずに保つために、密封空気ノズルが、それぞれ、対応する光送信器及び対応する光受信器から圧縮空気の混合チャンバ及び排出雰囲気に向かうさらなる空気流を可能にするように配置かつ構成されているのであれば、有利である。これによって、オイルミストの生じ得る望ましくない拡散方向と逆向きの流れが生じることになる。この逆向きの流れは、大きな消費を伴うことなく、光学要素上への堆積物を防ぐのに十分である。この手段によって、複雑な「カーテン」を生じさせることを避けることができる。密封空気ノズル、従って、前記逆向きの流れの操作は、圧縮空気ノズルから送られる圧縮空気がこの逆向きの流れも生じさせるという事実によって、簡単に行うことができる。通常、これらの密封空気ノズルは圧力経路（圧力ライン）の接続部を介して操作されるようになっている。

本発明に係る測定装置については、エンジン区画からの引込みが、好ましくは、弁装置によって、中断され、かつ新鮮な空気送給と置き換えられることが可能になっているのであれば、特に有利である。この場合、弁、好ましくは、磁石弁が閉じられ、その後、ベンチュリーノズル及び測定通路が新鮮な空気によって洗浄されるのであれば、完全な測定を行う条件が得られることになる。

本発明の第２の態様は、本発明の測定装置を用いて測定を行うことに関する。

本発明に用いられる前記要素及び請求項並びに以下の例示的実施形態に記載される要素は、それらの大きさ、形状、材料の使用、及び技術設計に関して、どのような特定の条件にも排他的に制限されるものではなく、従って、それぞれの用途分野において知られている選択基準が制限されることなく用いられてもよい。

本発明の主題のさらなる詳細、利点、及び特徴は、以下の詳細な説明及び本発明に係る測定装置が例示的に示されている対応する図面から明らかになるであろう。

本発明の第１の例示的実施形態に係る内燃機関の作動チャンバに設置された測定装置の概略斜視図である。 図１に係る測定装置における圧力供給の切換要素の図である。

図１は測定装置２を示している。測定装置２のケーシングは、機械の作動チャンバ４に着脱可能に配置されている。この例示的実施形態では、機械は、ピストンエンジン、例えば、ディーゼルエンジンのような内燃機関となっている。測定装置は、エアロゾル、ここでは、機械の作動チャンバ内のオイルミストに関する測定データを得るために用いられている。測定装置２は、吸引手段としての圧縮空気噴射ポンプ８を備えている。ポンプ８の負圧領域１０は、作動チャンバの壁の開口を通る吸引経路（吸引ライン、吸引管）１２を介して、作動チャンバ４の内部に接触している。圧縮空気ノズル３２の流出方向と直交するように、従って、圧縮空気ノズル３２とファンネル（漏斗）３０の中心との間の軸とも実質的に直交するように、光通路が構成されている。光通路の一端部には、光発信器１５が配置されており、光通路の他端部には、オイルミストの測定データを得るためのセンサユニットの光受信器１７が配置されている。センサユニットは電子機器モジュールを備えている。この例示的実施形態では、光送信器１５の光ビームは光受信器１７の方に向けられている。この光ビームは、圧縮空気ノズルの流出方向と直交するように、しかし、圧縮空気ノズルの流出方向に対していくらか横方向に位置ズレするように、また、圧縮空気ノズル３２とファンネル３０の中心との間の軸と実質的に直交するように、圧縮空気噴射ポンプの負圧領域を通り抜けるようになっている。

圧縮空気噴射ポンプ８は、圧縮空気送給装置２６に協働作用するように接続されている。圧縮空気送給装置２６は圧縮空気ノズル３２に通じている。圧縮空気ノズル３２は、圧縮空気噴流をファンネル３０内に吹き込み、これによって、圧縮空気ノズル３２とファンネル３０との間の移行領域を囲む負圧領域１０に負圧を生じさせるようになっている。吸引経路１２が負圧領域１０に接続されている。この例示的実施形態では、圧縮空気ノズル３２の流出方向は、ファンネル３０の略中心に向かって配向されている。

圧縮空気供給装置２６には、接続線（接続ライン）１０６が接続されている。接続線１０６は密封空気ノズル３６に通じている。密封空気ノズルの１つは、光送信器１５の近傍に配置されており、他の密封空気ノズルは、光受信器の近傍に配置されている。圧縮空気が、２つの密封空気ノズル３６から出て、圧縮空気ノズル３２及びファンネル３９から成るベンチュリー機構に流れ、フィードバック経路（フィードバックライン）として構成された戻り通路３８を介して、圧縮空気ノズル３２から出た圧縮空気と一緒にエンジン区画内にフィードバックするようになっている。この構成は、吸引経路１２から漏れる可能性のあるオイルミストが光送信器１５又は光受信器１７に達してそれらを汚染するのを効果的に防ぐことになる。このような構成は、これまでに知られている「カーテン式解決法」よりも効果的であることが分かっている。

ここで、本発明の例示的実施形態において光通路の一端部に配置された光送信器１５及び光通路の他端部に配置された光受信器１７を有するように構成された光学装置は、以下のように構成される場合であっても、すなわち、光通路の一端部に光送信器１５及び光受信器１７の両方が配置され、光通路の他端部に反射体（例えば、鏡）が光送信器１５からの光ビームを光受信器１７に反射させるように配置され、この光ビームが、好ましくは、その都度、負圧領域を通り抜け、（圧縮空気ノズルの流出方向と直交するように、しかし、圧縮空気ノズルの流出方向に対していくらか横方向に位置ズレするように、また、圧縮空気ノズル３２とファンネル３０の中心との間の軸と実質的に直交するように）配向される構成である場合であっても、ほとんど同等の効果をもたらすことについて言及しておく必要がある。

さらに、本発明の例示的実施形態では、近赤外線（８６０ｎｍ）の周波数範囲内の光ビームが使用時に用いられているが、赤外線から紫外線に渡る全スペクトル内の波長又はそれらが混じった波長が用いられてもよいことについても言及しておく必要がある。

センサユニットの電子モジュールは、例えば、配線（ライン）を介して、測定されたオイルミスト濃度を表示する外部評価ユニットに接続されている。オイルミスト濃度が駆動機械の欠陥を示す所定の閾値を超えたのであれば、対応する警報信号が発せられるか又は機械が停止されるようにすることができる。

本発明の例示的実施形態の圧力供給が図２に示されている。本発明の例示的実施形態では、３．０バールの圧力を有する圧力源１００が、０．２２ｍｍの直径を有する主スロットルによって、１００Ｌ／ｈの堆積流量をもたらすようになっている。圧力供給、具体的には、圧縮空気ノズル３２及び密封空気ノズル３６を通る体積流量を監視するために、圧力センサ１０４を主スロットル１０２と磁石弁１１０及び密封空気スロットル１２２との間に配置した主分岐部が、例示的実施形態では、０．４５ｍｍの直径を有する磁石弁１００を介して圧縮空気ノズル３２に通じている。この主分岐部は、圧縮空気ノズル３２に６６Ｌ／ｈの体積流量をもたらすようになっている。密封空気分岐部が、０．２６ｍｍの直径を有する密封空気スロットル１１２を介して、２つの密封空気ノズル２６に均等に通じており、これらの密封空気ノズル３６のそれぞれに、１７Ｌ／ｈの流量をもたらすようになっている。

前述した例示的実施形態における測定装置の通常の操作条件下では、圧縮空気は、圧力源１００から、主スロットル１０２、開いた磁石弁１１０、及び圧縮空気ノズル３２を通って流れ、これによって、エンジン雰囲気を引き出す負圧を生じさせると共に、密封空気スロットル１１２及び密封空気ノズル３６を通って流れ、これによって、光学要素からファンネル３０に（光学要素１５，１７を保護する）逆向きの流れを生じさせるようになっている。

一方、校正条件下での操作では、磁石弁１１０が閉じられ、圧縮空気ノズル３２を通る主流れが中断されることになる。光学要素１５，１７間の光学通路は、密封空気ノズル３６によって洗浄され、測定装置は、光伝達の完全な測定を行う条件下に置かれることになる。このプロセスは、例えば、一日に一回の割合で行われるとよく、このプロセスによって、前述の閾値を調節することができる。なぜならば、この校正では、送信要素１５の放出電力及び光受信器１７の感度並びにさらなる干渉効果とは独立して、測定を行うことができるからである。

圧力センサ１０４によって、前述の装置は、絶対圧力を測定し、各構成部のターゲット圧と比較することによって、前述のノズルの全ての機能を監視することができ、これによって、密封空気ノズル３６のいずれかにおける誤動作（エラー、誤り）及びこれらの２つの密封空気ノズルにおける誤動作を容易に検出することが可能であることに留意されたい。

２ エアロゾルの測定データを得るための測定装置
４ 作動チャンバ
８ 吸引手段／圧縮空気噴射ポンプ
１０ 負圧領域
１２ 吸引経路（吸引ライン）
１５ 光送信器
１７ 光受信器
２６ 圧縮空気送給装置
３０ ファンネル（漏斗）
３２ 圧縮空気ノズル
３６ 密封空気ノズル
３８ 戻り通路
１００ 圧力供給源
１０２ 主スロットル
１０４ 圧力センサ
１０６ 接続部
１１０ 磁石弁
１１２ 密封空気スロットル

Claims (8)

1. 機械の作動チャンバ（４）内におけるエアロゾルの測定データ、すなわち、内燃機関の作動チャンバ内におけるエアロゾル濃度の測定データを得るための測定装置（２）であって、
   前記機械の作動チャンバ（４）からエアロゾル空気混合物を引き出し、かつ前記エアロゾル空気混合物を、少なくとも１つの光送信器（１５）及び少なくとも１つの光受信器（１７）を有する光センサユニットに送給するように構成される吸引手段（８）と、
   前記光センサユニットを操作するための電子装置と
   を含み、
   前記吸引手段が、圧縮空気送給装置（２６）、圧縮空気ノズル（３２）、好ましくは、ファンネル状の圧力放出通路（３０）、及び負圧領域（１０）を有する圧縮空気噴射ポンプ（８）として構成され、
   前記圧縮空気ノズル（３２）が前記圧力放出通路（３０）の方向に実質的に配向された流出方向を有し、
   前記圧縮空気送給装置（２６）が圧縮空気源に接続可能であり、
   前記機械の作動チャンバ（４）に接続可能な吸引ライン（１２）が前記負圧領域（１０）に接続されている、測定装置（２）において、
   前記光センサユニットが、前記光送信器（１５）と前記光受信器（１７）との間に光学通路を有し、
   前記光学通路が、前記圧縮空気ノズル（３２）の流出方向と略直交して配向されており、かつ前記負圧領域を通り抜けるように構成されている、測定装置（２）。
2. 前記光センサユニットが、前記光送信器（１５）と前記光受信器（１７）との間の前記光学通路を前記圧縮空気ノズル（３２）の前記流出方向に対して横方向に位置ズレさせるように構成されている、請求項１に記載の測定装置。
3. 複数の密封空気ノズル（３６）を備え、
   各密封空気ノズル（３６）が、対応する光送信器及び対応する光受信器から前記負圧領域に向かうさらなる空気流れを可能にするように配置かつ構成されている、請求項１又は２に記載の測定装置（２）。
4. 前記圧縮空気送給装置（２６）から前記密封空気ノズル（３６）に至る各接続経路を備えている請求項３に記載の測定装置。
5. 前記エンジン区画からの吸引は、好ましくは、弁装置によって、中断され、かつ新鮮な空気送給に置き換えられることができるように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の測定装置によって、機械の作動チャンバ（４）内におけるエアロゾルの測定データ、すなわち、内燃機関の作動チャンバ内におけるエアロゾロ濃度の測定データを得るための方法であって、
   エアロゾル空気混合物は、前記機械の作動チャンバ（４）から引き出され、かつ少なくとも１つの光送信器及び少なくとも１つの光受信器を有する光センサユニットに送給されるようになっており、
   前記光センサユニットは、前記光センサユニットを操作するための電子モジュールを有しており、
   前記圧縮空気送給装置（２６）は圧縮空気源に接続されており、
   前記機械の作動チャンバ（４）に接続された吸引経路（１２）が負圧領域（１０）に接続されている、方法において、
   可視範囲内、可視範囲未満、若しくは可視範囲を超える周波数範囲内又はそれらが混じった周波数範囲内にある光ビームが、前記光センサユニットによって、前記光送信器（１５）から前記光受信器（１７）に放出されるようになっており、
   前記光ビームが、前記圧縮空気ノズル（３２）の流出方向と略直交して配向されており、かつ前記負圧領域を通り抜けるようになっている、方法。
7. 前記光送信器（１５）と前記光受信器（１７）との間の光ビームが、前記圧縮空気ノズル（３２）の流出方向に対して横方向に位置ズレして放出されるようになっている、請求項６に記載の方法。
8. さらなる空気流が、密封空気ノズル（３６）によって、対応する光送信器及び対応する光受信器から前記負圧領域に導かれるようになっており、好ましくは、圧縮空気が、各接続経路から前記密封空気ノズル（３６）に導かれるようになっている、請求項６又は７に記載の方法。
   

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