JP4049053B2

JP4049053B2 - 噴射量測定装置及び噴射量測定方法

Info

Publication number: JP4049053B2
Application number: JP2003301186A
Authority: JP
Inventors: 仁田村; 博之今井
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP2005069128A

Description

本発明は、噴射装置から噴射された流体（燃料）の噴射量を求める噴射量測定装置及び噴射量測定方法に関する。

ディーゼルエンジンの性能（出力、排ガス、燃費など）を左右する大きな要因として、燃焼室内に噴射される燃料噴射量が挙げられる。そこで、燃料噴射装置（噴射ノズル）から噴射される燃料噴射量を正確に測定する装置が種々開発されている。

従来、この種の噴射量測定装置又はそれに相当する流量計として、（１）噴射ノズルから噴射された燃料の容積を検出して噴射量を算出する方式、（２）燃料の圧力を検出して噴射量を算出する方式、（３）燃料の重量を測定して噴射量を算出する方式、等が知られている（特許文献１〜４等）。

特許第２９５８５９２号公報特許第２８０６０１９号公報特開２００１−３８４１号公報特公昭５８−３７４８５号公報

（１）の容積方式では、噴射した燃料をシリンダに供給して内部のピストンを移動させ、ピストンの移動量をリニアスケール等の変位センサで計測し、ピストンの移動量から噴射量を求める。この場合、シリンダ内に噴射される燃料にキャビテーション等によるエアが含まれているとプラス側に誤差が生じ、しかもエアが含まれているか否か判断できないため、正確な燃料の噴射量の測定ができず、測定結果の信頼性も低い。

（２）の圧力方式では、噴射した燃料を圧力容器に導いてその内部圧力の昇圧を計測し、昇圧変化量から噴射量を求める。この場合、噴射時の圧力変動を瞬時に計測するために応答性の高いセンサが必要なり、各噴射毎に燃料を圧力容器から排出するための排出バルブが必要となり、圧力を噴射量に演算するための演算装置が必要となるため、コストアップとなる。

（３）の重量方式では、噴射した燃料をビーカー等の容器で受け、それを精密天秤で重量測定し、ビーカーの重量を減算して燃料の噴射量を求める。この場合、噴射した燃料を一旦ビーカー等の容器で受ける必要があるため、ゴミ等の混入が避けられず、正確な燃料の噴射量の測定ができない。

上記課題を解決するために創案された第１の発明は、噴射装置から噴射された流体の噴射量を測定する噴射量測定装置であって、水平に配置された筒体と、該筒体の内部にスライド自在に収容され内部を二部屋にシールして仕切るピストンと、上記双方の部屋内に充満された流体と、可撓性チューブからなり、所定の弛みをもって一方の部屋に接続され噴射装置から噴射された流体をその部屋に供給して上記ピストンを他方の部屋側へ移動する供給通路と、可撓性チューブからなり、所定の弛みをもって他方の部屋に接続されその部屋内に充満された流体を上記ピストンの移動に伴って充満を保ちつつ排出する排出通路と、上記筒体の少なくとも一端側に配置され分担荷重を測定する計量器と、該計量器の分担荷重の変動に基づいて上記ピストンの移動量を演算し噴射量を求める演算手段とを備えたものである。

また、上記他方の部屋に、噴射装置から噴射された流体をその部屋に供給して上記ピストンを一方の部屋側へ移動する別の供給通路を接続すると共に、上記一方の部屋に、その部屋内に充満された流体を上記ピストンの移動に伴って充満を保ちつつ排出する別の排出通路を接続し、上記流体の供給・排出方向を逆にすることにより、上記ピストンの移動方向を逆方向に切り替えることができるようにすることが好ましい。

第２の発明は、噴射装置から噴射された流体の噴射量を測定する噴射量測定方法であって、水平に配置された筒体の内部を流体とは密度の異なるピストンで二部屋に仕切ると共に各部屋を流体で充満し、且つ、可撓性チューブからなる供給通路を所定の弛みをもって一方の部屋に接続すると共に可撓性チューブからなる排出通路を所定の弛みをもって他方の部屋に接続し、噴射装置から噴射された流体を供給通路を介して一方の部屋に供給して他方の部屋内に充満された流体を排出通路を介して排出することでピストンを移動させ、ピストンの移動の前後で筒体の少なくとも一端側の分担荷重の変動を測定してピストンの移動量を演算し、ピストンの移動量から噴射量を求めるようにしたものである。

また、上記噴射装置から一方の部屋に複数噴射回数分の流体を供給し、ピストンの合計移動量及び合計噴射量を演算し、その合計噴射量を噴射回数で除して噴射毎の平均噴射量を求めるようにしてもよい。

本発明によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）分担荷重の変動を測定することで噴射量を計測できるので、簡易に噴射量を計測できる。
（２）噴射装置から噴射された流体を直接筒体内に導くので、外部からのゴミが混入しにくい。
（３）噴射装置から噴射された流体にエアが混入していると、混入していない場合と比べて分担荷重の加算値が小さくなるので、エアの混入の有無を判別できる。
（４）別の供給通路及び排出通路を使用してピストンの移動方向を逆方向に切り替えることにより、連続した計測が可能となると共にピストンの片寄りをリセットできる。

本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る噴射量測定装置１は、ディーゼルエンジン等の噴射装置２から噴射された燃料の噴射量を測定するものである。噴射装置２は、噴射ポンプ３と噴射ノズル４（インジェクタ）とを有し、噴射ポンプ３で加圧された燃料をインジェクタ４から噴射する。噴射量測定装置１は、インジェクタ４から噴射された燃料の噴射量を測定する。

かかる噴射量測定装置１は、水平に配置され両端が蓋された筒体５（シリンダ）と、筒体５の内部にスライド自在に収容され内部を二部屋６、７にシールして仕切るピストン８とを有する。ピストン８で仕切られた双方の部屋６、７の内部には、燃料（図中ドットで示す）が充満されている。ピストン８の密度は、燃料の密度とは異なっている。筒体５は、透明であってもよい。インジェクタ４は、容器９に支持されている。容器９は、インジェクタ４から噴射された燃料を充満した状態で貯蔵する。

容器９と一方の部屋６とは、供給通路１０を介して接続されている。供給通路１０は、容器９に接続された第１通路１１と、第１通路１１に接続された第２通路１２と、第２通路１２に接続された三方弁１３と、三方弁１３に接続された第３通路１４とを有する。三方弁１３は、基盤１５上に設置される。第３通路１４は、軟らかい可撓性のある透明チューブからなり、所定の弛みを持って一方の部屋６に接続される。

他方の部屋７には、排出通路１６が接続されている。排出通路１６は、他方の部屋７に接続された第４通路１７と、第４通路１７に接続された別の三方弁１８と、別の三方弁１８に接続された第５通路１９と有する。第４通路１７は、軟らかい可撓性のある透明チューブからなり、所定の弛みを持って他方の部屋７に接続される。別の三方弁１８は、基盤１５上に設置される。

第５通路１９は、筒体５の内面頂部よりも所定高さＨだけ高く上方に延長された後に下方に曲げられており、所定のヘッド圧を発揮し、他方の部屋７内の燃料の充満を保持する。第５通路１９の出口２０は、サイフォンの原理によって他方の部屋７内の燃料が排出しないようにするため、筒体５の内面頂部よりも高く設定されている。この出口２０は、タンク２１に臨まされている。

この構成によれば、容器９内の燃料を供給通路１０を介して一方の部屋６に供給すると、ピストン８が他方の部屋７側にスライドし、他方の部屋７内に充満された燃料がその充満を保ちつつ排出通路１６を介してタンク２１に排出される。なお、第５通路１９を上述のように上方に延長する代わりに、第５通路１９に所定圧で開くリリーフ弁を介設することで、他方の部屋７の燃料を充満を保って排出するようにしてもよい。

また、容器９と他方の部屋７とは、別の供給通路２２を介して接続されている。別の供給通路２２は、上記第１通路１１と、第１通路１１に第２通路１２とは分岐するように接続された第６通路２３と、第６通路２３に接続された上記別の三方弁１８と、別の三方弁１８に接続された上記第４通路１７とを有する。

また、一方の部屋６には、別の排出通路２４が接続されている。別の排出通路２４は、上記第３通路１４と、第３通路１４に接続された上記三方弁１３と、この三方弁１３に接続された第７通路２５とを有する。第７通路２５は、第５通路１９と同様に、筒体５の内壁頂部よりも所定高さＨだけ高く上方に延長された後に下方に曲げられており、燃料をタンク２１に排出する。また、第７通路２５の出口２６は、筒体５の内面頂部よりも高く設定されている。

この構成によれば、上記各三方弁１３、１８を切り替え、容器９内の燃料を別の供給通路２２を介して他方の部屋７に供給すると、ピストン８が一方の部屋６側にスライドし、一方の部屋６内に充満された燃料がその充満を保ちつつ別の排出通路２４を介してタンク２１に排出される。なお、第７通路２５を上述のように上方に延長する代わりに、第７通路２５に所定圧で開くリリーフ弁を介設することで、一方の部屋６の燃料を充満を保って排出するようにしてもよい。

筒体５の略両端の下方には、一対の計量器２７、２８が配置されている。各計量器２７、２８は、基盤１５に水平に凹設された窪み部２９に、ピストン８を挟むように所定間隔を隔てて設置されており、筒体５を水平に保ってそれぞれ分担荷重を測定する。各計量器２７、２８は、図例ではデジタル式の精密天秤が用いられているが、ロードセル、重量計または秤等でも構わない。なお、各計量器２７、２８は、筒体５の端部から多少内側に配置されても構わない。各計量器２７、２８は、第３通路１４および第４通路１７が軟らかい可撓性チューブからなるため、三方弁１３、１８側からの重量の影響を受けない。

各計量器２７、２８は、中間部３０を介し、演算手段としてのコンピュータ３１に接続されている。コンピュータ３１には、噴射回数をカウントする噴射カウンタ３２が接続されている。噴射カウンタ３２は、噴射ポンプ３とインジェクタ４との間に、噴射回数を検出するためのセンサ３３を有する。コンピュータ３１は、各計量器２７、２８の分担荷重を噴射の前後で比較することで、ピストン８の移動量を演算し、噴射量を求める。その手順を以下に説明する。

図２に示すように、筒体５の全長をＬ、筒体５の左端（左側計量器２７の支持部）から移動前のピストン８の中心までの距離をＡ１、移動後のピストン８の中心までの距離をＡ２とし、筒体５の右端（右側計量器２８の支持部）から移動前のピストン８の中心までの距離をＢ１、移動後のピストン８の中心までの距離をＢ２とし、移動前のピストン８の位置をｘ１、移動後のピストン８の位置をｘ２、ピストン８の移動距離をｘとし、ピストン８の重量をＷ、左側計量器２７の分担支持荷重をＲＡ１、ＲＡ２、右側計量器２８の分担支持荷重をＲＢ１、ＲＢ２とする。

移動前すなわち測定開始時、ピストン８がｘ１の位置にある場合の左側計量器２７の測定値ＲＡ１および右側計量器２８の測定値ＲＢ１は、燃料および筒体５の重量を無視すると、
ＲＡ１＝Ｂ１×Ｗ／Ｌ…（１）
ＲＢ１＝Ａ１×Ｗ／Ｌ…（２）
となる。

移動後すなわち測定終了時、ピストン８がｘ２の位置にある場合の左側計量器２７の測定値ＲＡ２および右側計量器２８の測定値ＲＢ２は、燃料および筒体５の重量を無視すると、
ＲＡ２＝Ｂ２×Ｗ／Ｌ…（３）
ＲＢ２＝Ａ２×Ｗ／Ｌ…（４）
となる。

よって、ピストン８がｘ１からｘ２に移動したとき、左側計量器２７の測定値の変動ＲＡ、右側計量器２８の測定値の変動ＲＢは、
ＲＡ＝ＲＡ２−ＲＡ１＝（Ｂ２−Ｂ１）×Ｗ／Ｌ…（５）
ＲＢ＝ＲＢ２−ＲＢ１＝（Ａ２−Ａ１）×Ｗ／Ｌ…（６）
となる。

ここで、各部屋６、７内の燃料の重量および筒体５の重量は、計算に入っていないが、燃料は全体に充満されており、筒体５の容積・重量も変化することはないので、ピストン８の幅（厚さ）を零と仮定すれば、これら二つの重量はピストン８の位置に拘わりなく１／２ずつ左右の計量器２７、２８に加わり変動しない。よって、（５）式（６）式にて相殺される。

次に、（１）式及び（２）式より、
Ａ１＝ＲＢ１×Ｌ／Ｗ…（７）
Ｂ１＝ＲＡ１×Ｌ／Ｗ…（８）
また、（３）式及び（４）式より、
Ａ２＝ＲＢ２×Ｌ／Ｗ…（９）
Ｂ２＝ＲＡ２×Ｌ／Ｗ…（１０）
となる。

従って、求めるピストン８の変位量ｘは、
ｘ＝Ａ２−Ａ１＝（ＲＢ２−ＲＢ１）×Ｌ／Ｗ…（１１）
ｘ＝Ｂ１−Ｂ２＝（ＲＡ１−ＲＡ２）×Ｌ／Ｗ…（１２）
となる。

ここで、
Ｗ＝ＲＡ１＋ＲＢ１＝ＲＡ２＋ＲＢ２…（１３）
とする。なお、（１３）式にて燃料の重量および筒体５の重量を無視した理由は上述した通りである。

すると、（１１）式より、
ｘ＝Ｌ×（ＲＢ２−ＲＢ１）／（ＲＡ１＋ＲＢ１）…（１４）
＝Ｌ×（ＲＢ２−ＲＢ１）／（ＲＡ２＋ＲＢ２）…（１５）
となり、（１２）式より、
ｘ＝Ｌ×（ＲＡ１−ＲＡ２）／（ＲＡ１＋ＲＢ１）…（１６）
＝Ｌ×（ＲＡ１−ＲＡ２）／（ＲＡ２＋ＲＢ２）…（１７）
となる。

こうして、ピストン８の移動距離ｘは、ＲＡ１、ＲＡ２、ＲＢ１、ＲＢ２を計測することで求められる。

求められたピストン８の移動距離ｘと筒体５の断面積Ｃとにより、任意の噴射回数時の総噴射量Ｑall は、
Ｑall ＝ｘ×Ｃ…（１８）
Ｑall：総噴射量（mm3）
Ｃ：筒体断面積（mm2）
ｘ：ピストン移動距離（mm）

そして、上記総噴射量Ｑall をその噴射回数ｎで割ることで、単噴射毎の平均噴射量Ｑを算出できる。
Ｑ＝Ｑall ／ｎ…（１９）
Ｑ：単噴射毎の平均噴射量（mm3/Shot）
ｎ：噴射回数

本実施形態によれば、左右の計量器２７、２８の分担荷重の変動ＲＡ、ＲＢを測定することで噴射量を計測できるので、簡易に噴射量を計測できる。また、複数噴射によってピストン８を大きく移動させているので、分担荷重の変動ＲＡ、ＲＢが大きくなり、単噴射ではピストン８が僅かしか移動しなくとも、単噴射毎の平均噴射量を精度よく測定できる。

また、インジェクタ４から噴射された燃料を外部に晒すことなく容器９及び各通路１０、２２を介して筒体５内に導くので、外部からのゴミが混入することはなく、測定精度が向上する。また、左右の三方弁１３、１８を切り替えて、ピストン８の移動方向を逆方向に切り替えることにより、連続して噴射量を計測でき、ピストン８の片寄りをリセットできる。

また、図３に示すように、インジェクタ４から噴射された燃料に仮にエアが混入していた場合、エアＡが一方の部屋６内に導かれ、混入していない場合と比べて各計量器２７、２８の分担荷重の加算値が小さくなるので、エアＡの混入の有無を確実に判別でき、噴射量の計測の信頼性が向上する。

また、図４に示すように、筒体５の断面積を小さくすることにより（Ｃ２＜Ｃ１）、噴射毎のピストン８の移動量を増すことができ、計測精度を向上できる。また、左右の計量器２７、２８の間隔を離すことで（Ｌ２＞Ｌ１）、各計量器２７、２８への重量変動が敏感になるので、高精度な計測が可能となる。また、筒体５及びその内部に充満される燃料の重量に対するピストン８の重量を相対的に増すこと（比重を大きくする等）により、左右の計量器２７、２８が検出する重量変動の応答性を向上させることができる。

また、図５に示すように、筒体５内の各部屋６、７に圧力計３４及び／又は温度計３５を取り付けることにより、燃料の圧力及び／又は温度に対する重量の補正（比重の変動、体積膨脹等）を行うことが可能となる。

また、本実施形態では、筒体５の両端側にそれぞれ計量器（秤）２７、２８を配置したが、（１１）式及び（１２）式から明らかなように、筒体５の少なくとも一端側にのみ計量器２７（又は２８）を配置し他端側には単なる支点を配置してもピストン８の変位量Ｘの測定は可能であり、同様に噴射量を計測でき、同様の作用・効果が得られる。

但し、計量器２７（又は２８）をいずれか一方のみとした場合、ピストン８がその計量器２７（又は２８）側に近づくとピストン８の微小の移動に対する感度が悪化するため、測定結果の精度が多少低下する可能性がある。よって、筒体５の両サイドに計量器２７、２８を配置することが好ましい。しかし、既述のように一方のみでも測定は可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限られず、ガソリンエンジン用のインジェクタ等、一回の噴射量が少ない各種の流体用噴射装置にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る噴射量測定装置のシステムを表す説明図である。上記噴射量測定装置の寸法を表す説明図である。上記噴射量測定装置の筒体内にエアが混入した様子を示す説明図である。変形例を示す説明図である。別の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１噴射量測定装置
２噴射装置
３噴射ポンプ
４噴射ノズル（インジェクタ）
５筒体
６一方の部屋
７他方の部屋
８ピストン
１０供給通路
１６排出通路
２２別の供給通路
２４別の排出通路
２７計量器
２８計量器
３１演算手段としてのコンピュータ
３２噴射カウンタ

Claims

噴射装置から噴射された流体の噴射量を測定する噴射量測定装置であって、水平に配置された筒体と、該筒体の内部にスライド自在に収容され内部を二部屋にシールして仕切るピストンと、上記双方の部屋内に充満された流体と、可撓性チューブからなり、所定の弛みをもって一方の部屋に接続され噴射装置から噴射された流体をその部屋に供給して上記ピストンを他方の部屋側へ移動する供給通路と、可撓性チューブからなり、所定の弛みをもって他方の部屋に接続されその部屋内に充満された流体を上記ピストンの移動に伴って充満を保ちつつ排出する排出通路と、上記筒体の少なくとも一端側に配置され分担荷重を測定する計量器と、該計量器の分担荷重の変動に基づいて上記ピストンの移動量を演算し噴射量を求める演算手段とを備えたことを特徴とする噴射量測定装置。
上記他方の部屋に、噴射装置から噴射された流体をその部屋に供給して上記ピストンを一方の部屋側へ移動する別の供給通路を接続すると共に、上記一方の部屋に、その部屋内に充満された流体を上記ピストンの移動に伴って充満を保ちつつ排出する別の排出通路を接続し、上記流体の供給・排出方向を逆にすることにより、上記ピストンの移動方向を逆方向に切り替えることができる請求項１記載の噴射量測定装置。
噴射装置から噴射された流体の噴射量を測定する噴射量測定方法であって、水平に配置された筒体の内部をピストンで二部屋に仕切ると共に各部屋を流体で充満し、且つ、可撓性チューブからなる供給通路を所定の弛みをもって一方の部屋に接続すると共に可撓性チューブからなる排出通路を所定の弛みをもって他方の部屋に接続し、噴射装置から噴射された流体を供給通路を介して一方の部屋に供給して他方の部屋内に充満された流体を排出通路を介して排出することでピストンを移動させ、ピストンの移動の前後で筒体の少なくとも一端側の分担荷重の変動を測定してピストンの移動量を演算し、ピストンの移動量から噴射量を求めるようにしたことを特徴とする噴射量測定方法。
上記噴射装置から一方の部屋に複数噴射回数分の流体を供給し、ピストンの合計移動量及び合計噴射量を演算し、その合計噴射量を噴射回数で除して噴射毎の平均噴射量を求めるようにした請求項３記載の噴射量測定方法。