JP4005506B2 - 特に自動車に用いられる噴射ノズルの噴射量を測定するための装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
背景技術
本発明は、まず、特に自動車に用いられかつ特に製作検査において使用される噴射ノズルの噴射量を測定するための装置であって、所定の範囲でテスト流体で充填された少なくとも１つの測定室と、連結装置とが設けられていて、該連結装置により、少なくとも１つの噴射ノズルが前記測定室に連結可能であり、噴射ノズルによる噴射時に少なくとも所定の時間毎に前記測定室内でのテスト流体の状態変化を検出する検出装置と、該検出装置の信号から前記状態変化に対応する噴射量を決定する処理ユニットとが設けられている形式のものに関する。
【０００２】
このような形式の装置は市場により知られており、「噴射量インジケータ（ＥＭＩ）」と呼ばれている。この噴射量インジケータはシリンダを有していて、このシリンダ内にはピストンが案内されている。シリンダの内室とピストンとは測定室を仕切っている。この測定室は開口を有しており、この開口には噴射ノズルが圧力密に装着可能となる。噴射ノズルが測定室内へ燃料を噴射すると、ピストンが運動し、このことは変位センサにより検出される。ピストンの移動距離から、測定室の容積変化を推量し、ひいては噴射された噴射量を推量することができる。
【０００３】
しかし、公知の噴射量インジケータには種々の欠点がある。第１に、公知の噴射量インジケータは複数の可動部分を有しており、これらの可動部分はこのような装置の連続的な使用時に摩耗を受ける。この摩耗は、最新の噴射ノズルが抜取り検査式に検査されるのではなく、製作時に連続的に検査されることを考えると比較的大きくなる。このような摩耗により、このような噴射量インジケータの寿命の途中で、測定結果が不正化され、ひいては噴射量インジケータの寿命も縮められる。
【０００４】
さらに、ピストンとシリンダとの間には摩耗が生じる。この摩耗はピストンの自由な運動を妨げ、これによりピストンの運動は実際に噴射された燃料容量に完全には一致しなくなる。したがって、噴射量インジケータの測定精度は制限されている。さらに、特に最新のディーゼル内燃機関のための噴射ノズルでは、極めて少量の噴射量を信頼性良く測定することも必要である。このような測定は公知の噴射量インジケータでは極めて困難となるか、または全く不可能となる。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式の装置を改良して、その全寿命にわたり高い精度で噴射ノズルの噴射量の測定が可能となり、しかも極めて小さな噴射量も信頼性良く測定され得るような装置を提供することである。
【０００６】
この課題を解決するために本発明の構成では、前記検出装置がコンデンサを有しており、該コンデンサの一方の電極が、導電性の流体から形成されており、該流体が、少なくとも所定の範囲で、前記測定室に接続された容積内に保持されており、前記処理ユニットが前記コンデンサに接続されていて、前記処理ユニットが、前記導電性の流体の運動により生ぜしめられた前記コンデンサのキャパシタンス変化を検出し得るようにした。
【０００７】
発明の利点
本発明による装置では、機械的なピストンは存在していない。その代わりに、噴射時に行われる測定室の容積変化により、導電性の流体の容積が運動させられる。もちろん、このような運動にも摩擦は伴う。しかしこのことは、機械的なピストンの場合よりも数オーダ分だけ少ない。流体容積の運動の検出および定量化は、流体容積がコンデンサの電極を形成していることに基づき、同じく摩擦なしにかつ摩耗なしに行われる。電極の運動により生ぜしめられるキャパシタンス変化は、装置の全寿命にわたっていかなるドリフトもなしに極めて高い精度で測定され得る。
【０００８】
本発明の有利な改良形は請求項２以下に記載されている：
本発明の１改良形では、前記容積内に少なくとも１つの細長い導電体が配置されていて、該導電体が、その長手方向で、前記導電性の流体の可動の境界面を貫いて延びており、前記導電体が、外方へ向かってもしくは外部に対して誘電体により絶縁されていて、こうしてコンデンサの定位置の電極を形成している。
【０００９】
すなわち、本発明による装置のこのような構成では、テスト流体の容積変化を検出するために管形コンデンサが使用される。この管形コンデンサは細長い導電体から成っており、この導電体はコンデンサの、半径方向内側に位置する第１の電極を形成している。この内側の電極を取り囲んで、外方へ向かって絶縁体が配置されている。管形コンデンサの第２の電極は導電性の流体により形成される。この場合、管形コンデンサのキャパシタンスはこれらの電極の大きさに関連している。導電体の比較的長い範囲が導電性の流体により取り囲まれていると、コンデンサのキャパシタンスは、導電体の比較的小さな延在長さしか導電性の流体によって取り囲まれていない場合よりも大きく形成される。
【００１０】
しかし、導電性の流体が保持されている容積は、測定室と、この測定室内に捕集されたテスト流体とに接続されている。テスト流体の容積が変化すると、これにより導電性の流体が相応して押しのけられ、これにより、導電体により貫通される導電性の流体の境界面が移動する。したがって、この場合には、導電性の流体により取り囲まれている導電体の長さも変化し、このことは管形コンデンサのキャパシタンスの変化を生ぜしめる。このようなキャパシタンス変化は処理ユニットにより検出される。形成された管形コンデンサのキャパシタンス変化は次の関係式により表すことができる：
ｄＣ＜ｐＦ＞＝０．０５５６×ｄＬ＜ｍｍ＞×ε／ｌｎ（Ｄ／ｄ）
式中ｌ ｄＣ＝キャパシタンスの変化
ｄＬ＝境界面の移動
ε ＝誘電率
Ｄ ＝誘電体の外径
ｄ ＝導電体の外径。
【００１１】
こうして、本発明による装置では、可動部分を完全に不要にすることができる。すなわち、このような測定装置では、摩耗または摩擦はほとんど生じなくなる。したがって、極少の噴射量をも本発明による装置により検出することができる。
【００１２】
さらに、噴射ノズルと、前記可動の境界面との間に、流れを鎮静化する流れ鎮静器（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｂｅｒｕｈｉｇｅｒ）が配置されており、該流れ鎮静器が、特に多孔質体、さらに有利には焼結体を有していることが提案される。こうして、噴射ノズルから測定室内へ向けられる噴射パルスが導電性の流体における乱流もしくは境界面の変形を招き、ひいては測定結果を誤めてしまうことが阻止される。すなわち、全体的には、このような流れ鎮静器により、測定結果が一層正確となる。
【００１３】
本発明のさらに別の改良形では、前記導電性の流体により形成された容積が、少なくとも所定の範囲で、プレロードもしくは予荷重をかけられた壁、特にガスばねによって仕切られることが提案される。このようなプレロードをかけられた壁もしくはガスばねにより、導電性の流体は加圧され、これにより測定室内の、導電性の流体に接続されたテスト流体も、相応する圧力で負荷される。しかし、壁のプレロードもしくはガスばねにより、噴射ノズルによる噴射時に、ひいてはテスト流体の容積増大時に、室もしくは空間が形成されるようになり、テスト流体により押しのけられた導電性の流体はこの室もしくは空間内に逃出することができる。
【００１４】
この場合、ガスばねがダイヤフラムを有しており、該ダイヤフラムが、片側でガスによって負荷されていると特に有利である。ガスばねのこのような構成は、導電性の流体ならびにテスト流体に比較的一定の圧力を維持することを可能にする。さらに、このようなガスばねは全く保守を必要としない。そして、導電性の流体内の圧力はダイヤフラム背後のガス圧の適宜な調節により任意に調節可能となる。
【００１５】
本発明によれば、キャパシタンス変化時に信号強度を簡単に高めることができることも明らかとなる。すなわち、当該装置が、ほぼ互いに平行に配置されかつ互いに並列に接続された多数の定位置の電極を有していることが提案される。こうして、並列接続された複数のコンデンサが提供される。これらのコンデンサは同じ電極を有しており（つまり導電性の流体）、したがってこれらのコンデンサは噴射のたびにその都度キャパシタンス変化を受ける。これにより、特に小さな噴射量における測定精度が著しく高められる。
【００１６】
導電性の流体を有する容積がほぼ円形の横断面を有していると、定位置の電極を特に好都合に配置することができる。その場合、これらの定位置の電極、たとえば導電体は、前記容積の長手方向に対してできるだけ平行に配置されることが望ましい。
【００１７】
この場合、前記定位置の電極の少なくとも一部が、半径方向で見て、ほぼ同じ大きさの面の面重心に配置されていることも提案される。この場合には、個々のコンデンサの「液状」の電極が同じ大きさを有しており、相応するコンデンサがほぼ同じキャパシタンスもしくは感度を有している。このことは測定を容易にする。定位置の電極が前記容積の横断面にわたって均一に分配されていると、このことは次のような利点を有している。すなわち、たとえば乱流に基づいて必ずしも絶対的に平坦であるとは限らない境界面の形状が個々のコンデンサもしくは導電体を介して均される。これにより、個々の導電体の平均相互間隔よりもジオメトリ的に、つまり幾何学的に大きく形成されている、境界面の凹凸に基づいた外乱が除去される。
【００１８】
前記定位置の電極が、外側に誘電性の被覆体を有しており、該被覆体が有利にはテフロンを有していると有利である。このような被覆体を用いて、誘電体の厚さを小さく保持することができる。テフロンはその反水性の特性に基づき、測定を妨げる恐れのある導電性の水性表面被膜の形成を阻止する。
【００１９】
本発明による装置のさらに別の改良形では、前記テスト流体がオイルであり、前記導電性の流体が水、特に塩水であることが提案される。テスト流体としてのオイルの使用は、ディーゼル燃料の粘度および流れ特性を特に良好にシミュレートし、それに対して水、特に塩水は、コンデンサの形成のために必要となる導電率を有している。
【００２０】
さらに別の改良形では、前記導電性の流体の境界面が、前記テスト流体に直接に接していることが提案される。このように形成された装置はとりわけ、テスト流体と導電性の流体とが、互いに混合し合わない物質から成っていると有効になる。このような物質には、たとえば上で述べたオイルと水との物質組み合わせが属している。
【００２１】
本発明のさらに別の改良形では、当該装置がハウジングを有しており、該ハウジング内に、前記導電性の流体を有する容積が少なくとも部分的に形成されており、前記ハウジングが導電性の材料を有しており、該導電性の材料が前記処理ユニットに電気的に接続されており、前記定位置の電極が前記ハウジングに対して絶縁されていることが提案される。本発明による装置のこのような構成では、導電性の流体により形成された電極と処理ユニットとの間の簡単な接続が提案される。
【００２２】
本発明はさらに、特に自動車に用いられかつ特に製作検査において使用される、噴射ノズルの噴射量を測定するための方法であって、噴射ノズルを、少なくとも所定の範囲でテスト流体で充填されたの測定室に圧力密に連結し、該測定室内への噴射ノズルの噴射に基づいた前記テスト流体の状態変化を検出し、該状態変化から噴射量を決定する形式の方法に関する。
【００２３】
測定精度を高めるために本発明によれば、前記テスト流体の状態変化により、コンデンサの電極を形成する導電性の流体の運動を生ぜしめ、そして前記導電性の流体の境界面の運動により生ぜしめられるコンデンサのキャパシタンス変化を検出することが提案される。このような方法は、いかなる可動部分もなしに実施されるので、摩擦、ひいては摩擦と関連した摩耗に基づいた測定の外乱が著しく減じられるか、もしくは排除され得る。したがって、本発明による方法は極めて高い精度で作業する。
【００２４】
実施例の説明
図１には、噴射ノズルの噴射量を測定するための装置が符号２０で示されている。この装置２０は円筒状の測定室２２を有しており、この測定室２２は円筒状のハウジング２４の上側の範囲に形成されている。ハウジング２４の、図１で見て上側の端面には、開口２６が設けられており、この開口２６は外側でＯリングパッキン２８により取り囲まれている。このＯリングパッキン２８には、噴射ノズル３０の先端部が装着される。この噴射ノズル３０は、自動車の内燃機関、この場合には特にディーゼル直接噴射式またはガソリン直接噴射式の内燃機関に使用されるような噴射ノズルである。開口２６は通常の場合には、弁（図示しない）により閉鎖されている。この弁は、噴射ノズル３０がＯリングパッキン２８に装着されるか、もしくは開口２６に挿入された場合にしか開かない。
【００２５】
ハウジング２４は金属から成っている。ハウジング２４の、図１で見て下側の端面壁には、合計１９個の細長い導電体が貫通案内されている。これらの導電体はハウジング２４の長手方向軸線に対して平行に上方へ向かって、ハウジング２４の全高の１／２にまで延びている。図１には、図面を見易くするという理由から、符号５，１０，１５，１７，１９で示した５つの導電体しか図示されていない。図３には、符号１〜１９で示した１９個全ての導電体が図示されている。図３から判るように、これらの導電体１〜１９は同じ大きさの面範囲の重心に配置されている。このような手段の目的はさらに下で詳しく説明する。図２から判るように、導電体１〜１９はそれぞれその外側に誘電層３２で被覆されている。導電体１〜１９はさらに、ハウジング２４に対して電気的に絶縁されていて、ハウジング２４の外部でバスバー３４に接続されている。導電体１〜１９の図１で見て上側の端部と、ハウジング２４に設けられた開口２６との間では、測定室２２内にディスク状の焼結体３６が配置されている。
【００２６】
ハウジング２４の下側の範囲からは、管路３８が分岐している。この管路３８は補償容器４０に通じている。この補償容器４０は全体的に球形に形成されており、この補償容器４０の上側の範囲には、通常の場合には水平状態に位置するダイヤフラム４２が張設されている。このダイヤフラム４２と補償容器４０の上側の範囲との間の室はガスで充填されており、これによりガスばね４４が形成されている。ハウジング２４の上側の範囲に設けられた測定室２２はさらに、管路４６と弁４８とを介してオーバフロー部５０に接続されている。ハウジング２４の下側の範囲からは、管路５２も分岐している。この管路５２は弁５４を介して供給装置５６に接続することができる。さらに、電子処理ユニット５８が設けられている。この電子処理ユニット５８は一方ではバスバー３４に、他方では金属製のハウジング２４にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２７】
特に図１から判るように、測定室２２はテストオイル６０で充填されている。このテストオイル６０は有限の既知の圧縮性を有している。ハウジング２４の下側の範囲は、導電性の流体で充填されている。この流体はこの場合には塩水溶液６２である。テストオイル６０は塩水溶液６２よりも比重が軽いので、図１に示した層状化が自動的に生ぜしめられる。塩水溶液６２は直接に境界面６４でテストオイル６０に接している。ハウジング２４内に存在するテストオイル６０の量と、塩水溶液６２の量とはこの場合、境界面６４が導電体１〜１９の上端部よりも少しだけ下方に位置するように互いに調整されている。
【００２８】
導電体１〜１９と、これらの導電体１〜１９を取り囲む塩水溶液６２とにより、合計１９個の管形コンデンサが形成される。これらの管形コンデンサの一方の電極は導電体１〜１９により、他方の電極は塩水溶液６２によりそれぞれ形成されている。両電極は誘電層３２の厚さ分だけ互いに分離されている。このようにして形成された個々のコンデンサのキャパシタンスは以下の関係により得られる：
Ｃ＝０．０５５６×Ｌ×ε：ｌｎ（Ｄ／ｄ）
式中、Ｃ＝キャパシタンス
Ｌ＝導電体１〜１９の、塩水溶液６２より取り囲まれている延在長さ
ε＝誘電率
Ｄ＝誘電層３２の外径
ｄ＝導電体１〜１９の外径。
【００２９】
導電体１〜１９と塩水溶液６２とにより形成されたコンデンサがバスバー３４を介して並列接続されていることに基づき、１つのコンデンサの個別キャパシタンスの１９倍に相当する全キャパシタンスが得られる。上記関係に基づき、キャパシタンスＣが、導電体１〜１９の、塩水溶液６２により取り囲まれている延在長さに関連していることが判る。ここで念のため付言しておくと、導電体１〜１９の、テストオイル６０により取り囲まれている範囲では、外側の電極が金属製のハウジング２４により形成される。ハウジング２４により形成された電極は導電体１〜１９から比較的大きな間隔を有しているので、これらの導電体１〜１９のキャパシタンスは上で示したキャパシタンスに比べて無視し得る程度に僅かなものである。
【００３０】
境界面６４が量ｄＬ分だけずれることにより（図２参照）、導電体１〜１９の、塩水溶液６２より取り囲まれている部分の延在長さが変化すると、これにより対応するコンデンサのキャパシタンスも変化する。この関係はこの装置２０では、噴射ノズル３０から測定室２２内に噴射されたテストオイル６０の量を次のようにして測定するために使用される：
噴射ノズル３０が開口２６を通じてハウジング２４内へテストオイルを噴射すると、測定室２２内のテストオイル６０の容積はテストオイル６０の既知の有限の圧縮性に基づいて増大する。これにより、塩水溶液６２は噴射された容積の分だけハウジング２４から押しのけられ、このことは、境界面６４が量ｄＬ分だけ下方へ移動することを意味する。塩水溶液６２はこの場合、管路３８を介して補償容器４０内へ流入し、そしてダイヤフラム４２をガスばね４４のガス圧に抗して少しだけ上方へ押し上げる。すなわち、ガスばね４４により、塩水溶液６２とテストオイル６０とはほぼ一定の圧力に保持される。
【００３１】
境界面６４が量ｄＬ分だけ移動することにより、導電体１〜１９と塩水溶液６２とから形成された各コンデンサのキャパシタンスは値ｄＣ分だけ変化する。この値は次の式により得られる：
ｄＣ＝０．０５５６×ｄＬ×ε／ｌｎ（Ｄ／ｄ）。
【００３２】
個々のコンデンサはハウジング２４の横断面にわたって均一に分配されているので、境界面６４の、乱流により生ぜしめられた凹凸は均されるか、もしくは補償される。しかし、既に焼結体３６により、境界面６４の範囲における乱流は十分に回避される。すなわち、１９個全てのコンデンサの全キャパシタンス変化は、個々のコンデンサのキャパシタンス変化の１９倍に相当する。コンデンサのこのようなキャパシタンス変化は電子処理ユニット５８により検出されて、予め作製された較正表に相応して噴射容量に変換される。
【００３３】
したがって、上で説明した装置２０を用いると、この装置２０に機械的な可動部分が必要となることなしに、噴射ノズル３０から測定室２２内に噴射されたテストオイル６０の量を測定することができる。さらに、ハウジング２４内に多数の個々のコンデンサを配置することが可能であることに基づき、信号の「増幅」が行われるので、極少量の噴射量をも確実に検出することができる。さらに、測定精度は焼結体３６によって一層高められる。この焼結体３６はこの場合、噴射ノズル３０による測定室２２内への噴射時に生じる乱流を、導電体１〜１９と塩水溶液６２とにより形成されたコンデンサから遠ざけておくために働く。個々のコンデンサが同じ大きさの面部分の重心に配置されていることに基づき、個々のコンデンサを別のコンデンサに対して重み付けする必要なしに、これらのコンデンサのキャパシタンスを単純に合計することができる。
【００３４】
前記装置２０は、噴射ノズル３０の流入／高圧側においても、流出／低圧側においても使用することができる。前記装置は、ほぼ任意の圧力に対して使用可能である。最大に可能となる圧力は基本的には、前記装置２０のために使用される構成エレメントの、安全技術上の観点によってしか制限されない。適当なジオメトリ寸法およびコンデンサの適当な数を設定することにより、前記装置２０をそれぞれ任意の測定要求に適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 噴射ノズルの噴射量を測定するための装置を部分的に断面して示す概略的な側面図である。
【図２】 図１に示した装置の細部を示す概略図である。
【図３】 図１に示した装置をＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って断面した図である。

Claims (13)

1. 特に自動車に用いられかつ特に製作検査において使用される噴射ノズル（３０）の噴射量を測定するための装置であって、所定の範囲でテスト流体（６０）で充填された少なくとも１つの測定室（２２）と、連結装置（２８）とが設けられており、該連結装置（２８）により少なくとも１つの噴射ノズル（３０）が前記測定室（２２）に圧力密に連結可能であり、噴射ノズル（３０）による噴射時に少なくとも所定の時間ごとに前記測定室（２２）内でのテスト流体（６０）の状態変化を検出する検出装置と、該検出装置の信号から前記状態変化に対応する噴射量を決定する処理ユニット（５８）とが設けられている形式のものにおいて、前記検出装置がコンデンサを有しており、該コンデンサの一方の電極が、導電性の流体（６２）から形成されており、該流体（６２）が、少なくとも所定の範囲で、前記測定室（２２）に接続された容積内に保持されており、前記処理ユニット（５８）が前記コンデンサに接続されていて、前記処理ユニット（５８）が、前記導電性の流体（６２）の運動により生ぜしめられた前記コンデンサのキャパシタンス変化を検出し得るようになっていることを特徴とする、特に自動車に用いられる噴射ノズルの噴射量を測定するための装置。
2. 前記容積内に少なくとも１つの細長い導電体（１〜１９）が配置されていて、該導電体（１〜１９）が、その長手方向で、前記導電性の流体（６２）の可動の境界面（６４）を貫いて延びており、前記導電体（１〜１９）が、外部に対して誘電体（３２）により絶縁されていて、こうしてコンデンサの定位置の電極を形成している、請求項１記載の装置。
3. 噴射ノズル（３０）と、前記可動の境界面（６４）との間に、流れ鎮静器が配置されており、該流れ鎮静器が、特に多孔質体、さらに有利には焼結体を有している、請求項１または２記載の装置。
4. 前記導電性の流体（６２）により形成された容積が、少なくとも所定の範囲で、プレロードをかけられた壁（４２）、特にガスばね（４４）によって仕切られている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記ガスばね（４４）がダイヤフラム（４２）を有しており、該ダイヤフラム（４２）が、片側でガスによって負荷されている、請求項４記載の装置。
6. 当該装置が、ほぼ互いに平行に配置されかつ互いに並列に接続された多数の定位置の電極（１〜１９）を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記容積が、ほぼ円形の横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記定位置の電極（１〜１９）の少なくとも一部が、半径方向で見て、ほぼ同じ大きさの面の面重心に配置されている、請求項７記載の装置。
9. 前記定位置の電極（１〜１９）が、外側に誘電性の被覆体（３２）を有しており、該被覆体（３２）が有利にはテフロンを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記テスト流体がオイル（６０）であり、前記導電性の流体が水、特に塩水（６２）である、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記導電性の流体（６２）の境界面（６４）が、前記テスト流体（６０）に直接に接している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 当該装置がハウジング（２４）を有しており、該ハウジング（２４）内に、前記導電性の流体（６２）を有する容積が少なくとも部分的に形成されており、前記ハウジング（２４）が、導電性の材料を有しており、該導電性の材料が前記処理ユニット（５８）に電気的に接続されており、前記定位置の電極（１〜１９）が前記ハウジング（２４）に対して絶縁されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 特に自動車に用いられかつ特に製作検査において使用される、噴射ノズル（３０）の噴射量を測定するための方法であって、少なくとも１つの噴射ノズル（３０）を、少なくとも所定の範囲でテスト流体（６０）で充填されたの測定室（２２）に圧力密に連結し、該測定室（２２）内への噴射ノズル（３０）の噴射に基づいた前記テスト流体（６０）の状態変化を検出し、該状態変化から噴射量を決定する形式の方法において、前記テスト流体（６０）の状態変化により、コンデンサの電極を形成する導電性の流体（６２）の運動を生ぜしめ、そして前記導電性の流体（６２）の境界面（６４）の運動により生ぜしめられるコンデンサのキャパシタンス変化を検出することを特徴とする、特に自動車に用いられる噴射ノズルの噴射量を測定するための方法。

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