JP2020183943A - 非侵襲的診断用センサを備える高圧油圧システム - Google Patents

Abstract

【課題】コスト効果が高く、かつ非侵襲的な手段で、油圧システム内部の流体の圧力に関連する信号を検出する高圧油圧システムを提供する。【解決手段】高圧油圧システムは、加圧流体を含む油圧チャンバ３４と、油圧チャンバ３４の少なくとも一部を囲み、かつ、一体型ダイヤフラム１２０を含む壁５０と、ダイヤフラム１２０により、油圧チャンバ３４に含まれている加圧流体から分離される圧電センサ７０と圧電センサ７０と、ダイヤフラム１２０との間に、圧電センサ７０に向かって、弾性力を印加するように配置される弾性要素１０２とを備え、油圧チャンバ３４に含まれている流体の圧力の変化により生成されるダイヤフラム１２０の変形が、弾性要素１０２が圧電センサ７０に印加する弾性力の変化を引き起こす。【選択図】図２

Description

本発明は、概して高圧油圧システムに関連し、システムの動作の非侵襲的診断用センサを備える高圧油圧システムに関する。

本発明は、とりわけ、その用途として、例えば、大型船舶エンジンといった、大型ディーゼルエンジンおよびデュアルフューエルエンジン用の燃料噴射システムの診断を見込んで開発されたものである。以下の説明において、この特定の使用分野について、とはいえ、一般性を失うことなく参照することになであろう。

油圧システムの分野、とりわけディーゼルエンジンの高圧噴射システムにおいて、複雑なシステムの動作診断のための重要なデータを取得できる診断システムの開発への関心が高まっている。

これにより、油圧のような特徴的な動作パラメータを測定可能な低コストセンサの開発が促されている。

燃料噴射システムの分野において、力および／または圧力を測定するためのセンサ、ならびに、とりわけ、燃料噴射器に固定して噴射針の閉止時間を特定するように構成されるセンサが提案されてきている。例えば、欧州特許第３００１１６７号は、互いに平行に配置され、各々関連する電極を有する２つの端面を有する、少なくとも１つの圧電材料のセンサ素子を備えるセンサアセンブリを説明している。互いに電気的に絶縁された電極は、センサ素子に接触していることが想定される。

モニターされる構成要素にセンサを一体化させた油圧システムもまた提案されている（例えば、欧州特許第３０２６２５４号および欧州特許第３０３４８５５号）。

コモンレール燃料噴射器においてセンサが設置されるのは、しばしば、加圧アキュムレータから、噴射針封止領域の上流側に配置されている燃料分配チャンバに向かって流体を運ぶ孔に隣接する領域である。動作中に噴射器が発生する摂動は、このラインまで伝搬しないので、これにより、噴射器の制御バルブではなく、噴射器の動作データの検出ができる。

診断目的での、圧力センサの理想的な位置は、噴射器の制御チャンバの近くであろう。しかし、この領域のサイズが小さく、制御チャンバ内に存在する流体の圧力が高いことに起因し、小型のセンサ素子を使用する必要があろう。したがって、それらが持ちこたえ得る荷重および変形の観点から限定される。問題は、一般に、小さな空間内で（数千バールのオーダーの）非常な高圧により生じる変形を管理する必要があることである。

米国特許出願公開第２０１４０２７５３４号には、噴射針が閉じる瞬間を決定するために、噴射針の開閉中の圧力変動を検出するような圧電圧力センサを含むコモンレール噴射システム用の燃料噴射器が説明されている。圧力センサは、低圧領域に配置され、制御バルブのロッドにより生成される軸方向の力により負荷を受ける。米国特許出願公開第２０１４０２７５３４号に記載されているセンサは、制御チャンバの下流側に配置され、メモリ付きオリフィスによってそこへ接続されたチャンバ内の圧力を検出することを目的としている。したがって、この明細書に記載されるセンサは、制御チャンバ内の圧力を代表する信号を直接検出することはできない。実際には、バルブが開いているときにセンサによって読み取られる圧力は、制御チャンバの圧力と排出圧力との間の中間レベルにあり、このレベルは、バルブシートを横切る圧力低下によってもまた決定される。オリフィス中間チャンバシステムは、バルブが閉じているときに、制御チャンバ内の圧力信号と、センサによって検出された圧力信号との間に遅れを生じさせる。

本発明の目的は、コスト効果が高く、かつ非侵襲的な手段で、油圧システム内部の流体の圧力に関連する信号を検出する高圧油圧システムを提供することである。

本発明によると、請求項１の主題を形成する特性を有する高圧油圧システムにより、この目的が実現される。

本発明の特徴的な要素は、センサを構成し、かつ、異なる油圧システムへの一体化を可能にする、高感度素子および支持要素の具体的なの構成ならびに形態である。このセンサにより提供される電気信号は、従来技術を通して、または、人工知能によって、油圧システムの動作の診断に使用できる。

とりわけ、センサが、小型であること、高温耐性であること、および、異なる剛性を有する構成要素に対して一体化が適用できることにより、噴射システムに応用する場合は、コモンレール噴射器の制御容積内の圧力を検出するのに適したものになり、それにより、噴射器全体の一連の動作診断パラメータを得ることができる。

特許請求の範囲は、本発明に関連してここに提供される開示の不可欠な部分を形成する。

ここで、添付の、純粋に非限定的な例として与えられる図面を参照して、本発明は詳細に記載されるであろう。
コモンレール噴射システムの噴射器の部分断面図である。 図１において、矢印ＩＩで示した部分の縮尺を拡大した断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩの線に沿った断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶの線に沿った断面図である。

図１は、高圧油圧システムを示す。示される例において、油圧システムは、コモンレール噴射システム用の噴射器１０からなる。噴射器１０は、燃料分配チャンバ１４を有する噴霧器１２を有し、燃料分配チャンバ１４は、バルブシート１６を有する。噴射針１８は、分配チャンバ１４内に延在し、バルブシート１６と協働するシール面２０を有する。噴射針１８は、その長手軸Ａに沿って、シール面２０がバルブシート１６に接触する閉位置と、シール面２０がバルブシート１６から離間している開位置との間で移動可能である。バネ２２は、噴射針１８を閉位置に向かって押す傾向がある。噴霧器１２は、複数の噴射孔２４を有し、分配チャンバ１４内に配置されている加圧燃料は、噴射針１８が開位置にあるときに、その噴射孔を通って霧状にされる。

分配チャンバ１４は、高圧ポンプから入ってくる加圧燃料で充填されている蓄圧容積（ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）に接続されている。蓄圧容積は、また、油圧ラインを介して油圧チャンバ３４に接続されており、油圧ラインには、第１のメモリ付きオリフィス３６が配置されている。油圧チャンバ３４は、タンクへとつながる排出ラインに接続されている。排出ラインには、制御バルブ４２が配置されている。制御バルブ４２は、電気制御される２位置バルブであり、開位置では、油圧チャンバ３４を排出ラインへと接続し、閉位置では、油圧チャンバ３４を排出ラインから分離する。第２のメモリ付きオリフィス４４は、制御バルブ４２の上流側に配置される。

噴射器１０は、噴霧器１２のヘッド表面５２に油圧シール接触するように配置される壁５０を有する。壁５０は、油圧チャンバ３４の少なくとも一部分を囲む。壁５０には、メモリ付きオリフィス３６、４４が形成され、同様に壁５０に形成される孔５４、５６のそれぞれを通じ、油圧チャンバ３４に接続される。

図２を参照すると、壁５０は、油圧チャンバ３４に含まれている流体の圧力が作用する反応面５８を有する。油圧チャンバ３４に面している反応面５８の一部に、孔５４、５６が開いている。孔５４およびオリフィス３６は、図２に示される構成に関して、いくつかの実施形態において、交換し得る。

壁５０の反応面５８は、噴霧器１２の分配チャンバ１４に向かって開かれている壁５０のシート６０に形成され得る。ブッシング６２は、シート６０内に部分的に収容され、噴射針１８のヘッド部分が中へとスライドする孔６４を有している。

油圧チャンバ３４は、壁５０の反応面５８、噴射針１８のヘッド表面６６、および、ガイドブッシング６２の環状部分６８によって区切られる。

図２、図３および図４を参照すると、噴射器１０は、噴射器１０の動作を示す電気信号を提供する圧電センサ７０を有している。

センサ７０は、油圧チャンバ３４に含まれている加圧流体から完全に分離されている。センサ７０により提供される電気信号は、油圧チャンバ３４内の流体の圧力の変化によって発生する壁５０の変形を示す。圧電センサ７０は、油圧チャンバ３４内の流体の圧力に関連する電気信号を提供する圧力トランスデューサである。センサ７０は、センサ７０が圧力変動を検出できる方向に沿った方向を構成する検出軸Ａを有する。検出軸Ａは、噴射器１０の長手軸と一致してよい。

壁５０は、壁５０の厚みを薄くした部分により形成される一体型ダイヤフラム１２０を含む。ダイヤフラム１２０は、油圧チャンバ３４に含まれている加圧流体と直接接触している第１の表面１２２と、第１の表面１２２の反対側の第２の表面１２４とを有する。第２の表面１２４は、油圧チャンバ３４内に含まれる加圧流体に接触していない。ダイヤフラム１２０の第１の表面１２２は、反応面５８の一部分からなる。

示した実施形態において、ダイヤフラム１２０は、センサ７０が収容されているブラインドホール７２の底に配置される。ブラインドホール７２は、壁５０に形成され、センサ７０の検出軸Ａと同軸の側面７４と、ダイヤフラム１２０の第２の表面１２４を形成している底面とを有する。

センサ７０は、２つのディスク状要素７８、８０を含む。２つのディスク状要素７８、８０は、それぞれ第１の面７８'、８０'と、それぞれ第２の面７８"、８０"とを有する。２つのディスク状要素の各々の第１の面７８'、８０'および第２の面７８"、８０"は、互いに平行で、検出軸Ａに対して垂直な平坦面であり、軸Ａに対して垂直な平面に、円形の形状を有し得る（図４）。

２つのディスク状要素のうちの少なくとも１つは、圧電素子であり、検出軸Ａの方向に圧縮荷重を受けたとき、第１の面７８'、８０'に正電荷の、第２の面７８"、８０"に負電荷の蓄積が起こる。電荷の量により、面７８'、８０'および／または面７８"、８０"の間に電位差が発生し、それは、検出軸Ａの方向における圧力の増加に比例して増加する。

一実施形態において、両方のディスク状要素７８、８０は、圧電素子である。この場合、ディスク状要素７８、８０の第１の面７８'、８０'は、陽極端子面であり、ディスク状要素７８、８０の第２の面７８"、８０"は陰極端子面である。

可能な変形例においては、２つのディスク状要素７８、８０のうちの１つだけが、圧電素子であり、２つのディスク状要素７８、８０の他方は、圧電特性を有さない絶縁要素であり得る。

導電材料の薄い壁で形成される電極８２は、２つのディスク状要素７８、８０の間に配置され、前述の電極８２は、検出軸Ａに対して垂直である。２つのディスク状要素７８、８０の第１の面７８'、８０'は、電極８２の反対側の面に接触している。電極８２は、圧電素子７８，８０の直径よりわずかに大きい直径を有する円形の形状でよい。

センサ７０は、導電性材料の２つの支持要素８４、８６を含んでよい。２つの支持要素８４、８６は、それぞれの支持面８８、９０を有し、ディスク状要素７８、８０の対応する第２の面７８"、８０"で支えられている。支持要素８４、８６の側壁は、孔７２の側面７４に接触し得る。

２つの圧電素子７８、８０の間に配置される電極８２は、センサ７０の陽極を構成する。陰極は、壁５０を通してグラウンドに電気的に接続されている支持体８４、８６からなる。

図３および図４を参照すると、電極８２は、検出軸Ａに対して垂直方向に外側に延在する突出部分９２を有してよく、突出部分９２には、電気ケーブル９４の一端が接続され、２つの支持体８４、８６の間で検出軸Ａの方向に作用している力に比例する振幅のアナログ電気信号が伝達される。

センサ７０は、電極８２の外側に、軸Ａと同軸に配置されている環状の絶縁要素９６を含む。絶縁要素９６は、ディスク状要素７８、８０の外縁および電極８２の外縁に面する内側表面９８を有し、検出軸Ａに関して、ディスク状要素７８、８０と、電極８２との間でセンタリングできる。絶縁要素９６は、電極８２およびディスク状要素７８、８０が、噴射器の金属構成要素から電気的に絶縁されることを保証する。絶縁要素９６は、検出軸Ａの方向の寸法が、支持要素８４、８６の支持面８８、９０の間の距離より短く、１つの支持要素８４の面８８の外周部分に支えられるベース面１００を有する。

センサ７０は、壁５０に対して、検出軸Ａの方向に押し付けられている。例えば、センサ７０の支持要素８６の上面１１０は、壁５０の上面１１６で支えられている本体１１４の下面１１２に隣接して配置され得る。

噴射器１０は、例えば、カップバネによって、検出軸Ａと同軸に形成され、センサ７０と、ダイヤフラム１２０との間で検出軸Ａの方向に弾性力を印加するように配置されている、少なくとも１つの弾性要素１０２を有してよい。弾性要素１０２およびセンサ７０は、センサ７０が、検出軸Ａの方向には、弾性要素１０２よって生成される弾性力だけを受けるように配置される。

示した例において、弾性要素１０２は、ダイヤフラム１２０の第２の表面１２４と、支持要素８４の下面１０４との間で軸方向に圧縮されている。支持要素８４は、検出軸Ａの方向に下面１０４から突出し、弾性要素１０２の中央孔１０８に係合する軸方向の突起１０６を有してよい。弾性要素１０２は、センサ７０を、本体１１４の下面１１２に対して、検出軸Ａの方向に圧縮する。

センサ７０は、弾性要素１０２が圧電センサ７０と、ダイヤフラム１２０との間で前述の検出軸Ａに沿って印加する弾性力に関連する電気信号を発生する。動作中、油圧チャンバ３４内の流体の周期的な圧力変動は、検出軸Ａの方向にダイヤフラム１２０の周期的な変形を引き起こす。流体の圧力の変動により引き起こされるダイヤフラム１２０の変形は、検出軸Ａの方向に、ダイヤフラム１２０の第２の表面１２４の変形を引き起こす。検出軸Ａの方向への第２の表面１２４の変形は、同様に、弾性要素１０２がセンサ７０に印加する弾性力に変動を引き起こし、したがって、センサ７０により生成される電気信号が変動する。センサ７０により生成される電気信号は、したがって、油圧チャンバ３４に含まれている流体の圧力の瞬間値に直接関連する。

ダイヤフラム１２０の変形に起因する力は、弾性要素１０２だけによってセンサへ伝達され、これにより、（油圧チャンバ３４内の圧力の作用の下での）センサ７０への過度の荷重を生成するダイヤフラム１２０の変形が防げられる。

弾性要素１０２の剛性は、ダイヤフラム１２０の厚さと、油圧チャンバ３４の圧力とにより大きさが決められている。弾性要素１０２の寸法および形状を適切に選択することによって、圧電素子７８、８０の動作範囲と互換性のある力がダイヤフラム１２０の変形により発生するように弾性要素１０２の剛性を適合させ得る。

設計段階で弾性要素１０２の剛性を変化させることが可能であるため、ダイヤフラム１２０の適切な厚さが保証できる。

両方のディスク状要素７８、８０が、圧電素子の場合、圧電素子７８、８０が面して、向かい合う構成により、単一の圧電素子を使用するセンサに関して、センサ７０の感度は倍になり、陽極と、陰極との間の電気的絶縁要素として同じ圧電素子７８、８０を使用するので、その構造が簡略化され、センサ７０が受ける荷重を支持する要素スタックに、さらなる絶縁材料の要素を導入することを避けられる。

センサ７０は、非常に小さい寸法を有し、壁５０のメモリ付きオリフィス３６、４４の間に簡単に収容し得る。センサ７０は、流体に少しも接触せずに、かつ、油圧チャンバ３４の形状を全く変更することなく、油圧チャンバ３４の油圧を間接的に測定することを提供できる。センサ７０により、ダイヤフラム１２０の変形を優れた信号／ノイズで検出し得る。

センサ７０により検出される油圧チャンバ３４内の油圧は、噴射器１０の動作についての診断情報を得るように処理し得る。

図面は、例により、本発明によるセンサ７０をコモンレール噴射器において応用することを示す。しかしながら、本発明によるセンサ７０は、例えば、アキュムレータ、パイプ、ポンプ、バルブ要素などのような、他の任意の種類の高圧油圧システムにおいて使用できることが理解される。

一般に、センサ７０は、加圧流体に曝される面を有し、流体の圧力の変化に起因して変形する油圧システムの任意の構成要素に取り付け得る。

したがって、センサ７０を隔てているダイヤフラムの変形のおかげで、センサ７０は、加圧流体を含む容積から、加圧流体に直接接触せずに流体の圧力を検出可能である。

センサ７０が、弾性要素１０２によって生成される弾性力の作用だけを検出軸Ａの方向において受けるという条件で、弾性要素１０２は、図面に示されるものと異なって配置され得る。例えば、弾性要素は、本体１１４の面１１２と、第２の支持要素８４の上面１１０との間に配置され得る。

もちろん、本発明の原理を損なうことなく、構造の詳細および実施形態は、記載されおよび示されるものに関して広く変更され得、これにより、以下の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することはない。

Claims (10)

1. 高圧油圧システムであって、
   加圧流体を含む油圧チャンバと、
   前記油圧チャンバの少なくとも一部を囲み、かつ、一体型ダイヤフラムを有する壁と、
   圧電センサであって、前記一体型ダイヤフラムにより、前記油圧チャンバに含まれている前記加圧流体から分離され、かつ、検出軸を有し、前記圧電センサは、前記検出軸に沿って前記圧電センサを圧縮する力に関連する電気信号を発生させる、圧電センサと、
   前記圧電センサと、前記一体型ダイヤフラムとの間で前記検出軸に沿って、弾性力を印加するように配置される弾性要素であって、前記弾性要素および前記圧電センサとは、前記油圧チャンバに含まれている前記加圧流体の圧力の変動により生成される前記検出軸方向における前記一体型ダイヤフラムの変形が、前記弾性要素が、前記圧電センサと、前記一体型ダイヤフラムとの間で前記検出軸の方向に沿って印加する、前記弾性力の変動を引き起こすように配置される、弾性要素とを備える、
   油圧システム。
2. 前記弾性要素および前記圧電センサは、前記検出軸の方向において、前記圧電センサが前記弾性要素により生成される前記弾性力だけを受けるように配置される、
   請求項１に記載の油圧システム。
3. 前記一体型ダイヤフラムは、前記壁の厚みを薄くした部分により形成される、
   請求項１または２に記載の油圧システム。
4. 前記一体型ダイヤフラムは、前記壁に形成されるブラインドホールの底に配置され、その中には前記圧電センサが収容されている
   請求項３に記載の油圧システム。
5. 前記圧電センサは、
   互いに平行で、前記検出軸に対して垂直な、それぞれ第１の面およびそれぞれ第２の面を有する２つのディスク状要素であって、前記ディスク状要素のうちの少なくとも１つは圧電素子である、２つのディスク状要素と、
   前記検出軸に対して垂直な、導電材料の薄い板で形成される電極であって、２つの前記ディスク状要素の前記第１の面は、前記電極の反対側の面に接触している、電極と、
   導電性材料の２つの支持要素であって、それぞれの支持面は、前記ディスク状要素のそれぞれの第２の面に支えられている、２つの支持要素とを備える、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の油圧システム。
6. 前記弾性要素は、前記一体型ダイヤフラムと、前記支持要素の１つの面との間で前記検出軸の方向に圧縮される、
   請求項５に記載の油圧システム。
7. 前記圧電センサは、前記電極の外側で前記検出軸と同軸に配置される環形状の絶縁要素を有し、前記絶縁要素は、前記ディスク状要素の外縁および前記電極の外縁に面する内側表面を有する、
   請求項５に記載の油圧システム。
8. 前記絶縁要素は、前記検出軸の方向の寸法が、前記２つの支持要素の前記支持面の間の距離より短く、１つの支持要素の前記支持面の外周部分に支えられているベース面を有する、
   請求項７に記載の油圧システム。
9. 前記ディスク状要素の両方が圧電素子であり、前記ディスク状要素の前記第１の面が陽極端子面で、前記ディスク状要素の前記第２の面が陰極端子面である、
   請求項５に記載の油圧システム。
10. 前記支持要素のうちの１つは、その下面から、前記検出軸の方向に突出し、前記弾性要素の中央孔に係合する軸方向の突起を有する、
    請求項５に記載の油圧システム。