JP4130823B2 - 流体噴射弁の噴射率を測定するための方法および装置 - Google Patents

Description

背景技術
燃料噴射要素、例えば噴射弁、コモンレールインジェクタ、およびその他の高圧噴射弁の製造および機能検査においては、量測定のために種々の検査装置および検査方法が使用される。例えばＤＥ１００６４５１１Ａ１から測定ピストン原理が公知であり、ここでは噴射弁が燃料を、検査媒体の充填された測定容積に噴射する。測定容積内の圧力は、測定ピストンが噴射量により押し出されることによって一定に維持される。測定ピストンのスライドから直接的に噴射量を計算することができる。この方法はピストン運動が機械的であるため動的に制限されており、そのため内燃機関に対する現在の高圧噴射システムで噴射速度を時間的に高分解能で測定したいという要求を満たすことはできない。現在の噴射システムでは噴射サイクルごとに複数の部分噴射が行われる。

択一的で正確な方法が例えば、W. Zuech著：”Neue Verfahren zur Messung des Einspritzgesetes und Einspritz-Regelmaessigkeit von Diesel-Einspritzpumpen", Motortechnische Zeitschrift (MTZ) 22 (1961), pp.344-349, に記載されており、この方法は油圧上昇方法（ＨＤＶ）である。ここでも噴射弁は同様に流体の満たされた測定容積に噴射する。しかしここでは測定容積は一定に維持されない。これにより測定容積の圧力が上昇し、これが適切な圧力センサにより測定される。ピエゾ原理に基づく現在の圧力センサは非常に小さい応答時間を特徴とし、このことは時間的に高分解された測定を可能にする。圧力上昇の時間的経過から、噴射速度の経過と噴射量が原理的に計算される。

しかし実際には、一連の要因により困難である。測定容積Ｖは噴射された燃料によって測定容積の相応の固有周波数で圧力振動する。このときこの固有周波数は測定容積の幾何学的寸法に依存する。基本振動の他に通常は多数の高調波振動も励起される。このとき通常は複数の振動モードが発生し得る。このことは圧力センサ測定信号のフィルタリングを困難にする。なぜなら固有振動の周波数が一部では測定信号の周波数領域にあるからである。

さらに噴射量Δｍの絶対値の正確な測定は、圧力の測定量をまず噴射された流体量に変換しなければならないことによって困難になる。ここで変換係数は圧縮率と密度を含む。これらのパラメータはそれぞれの検査条件と履歴に依存し、従って必要な精度を先行する測定から得ることはできない。これらのパラメータを検出するために、各測定に対して別個の面倒な較正過程が必要である。このことは測定を面倒なものとし、実際には実行するのが非常に困難である。このために別個の較正シリンダを介して所定の較正容積ΔＶｋが測定容積Ｖにもたらされ、圧力変化Δｐｋが測定される。圧縮率Ｋは次式から得られる。

Ｋ＝Δｐｋ／ΔＶｋ・Ｖ （１）
これにより今度は噴射された容積ΔＶが計算される。

ΔＶ＝Ｖ／Ｋ・Δｐ
最終的に噴射量を計算するために、質量への変換が必要である。このことは密度ρの知識を必要とする。

Δｍ＝ρ・ΔＶ＝Ｖ・ρ／Ｋ・Δｐ
ここで密度は検査媒体の温度に依存する。このことを考慮するために、温度が温度センサによって測定容積内で測定され、密度が相応に補正される。ここで温度測定は逐次のものであり、測定容積に温度不均衡が生じていることは考慮しない。

上記の式（１）に従い圧縮率Ｋを検出するためには、所定の較正容積を測定容積にもたらすことが必要である。このことは別個の容積センサを必要とする。さらに較正測定のために別個の測定時間が必要であるという欠点もある。このことは順次連続する測定の可能な周波数を減少させる。

発明の利点
これに対して請求項１の構成を備える本発明の方法は、圧力経過から簡単に噴射量が検出されるという利点を有する。このために測定容積中の圧力の時間的経過が噴射時に記録され、そこから噴射量の時間的経過が計算される。噴射量の絶対値を計算するための係数を求めるために、音速が検出される。圧力上昇および音速から直接的に噴射量ないしその時間的経過、すなわち量／噴射率が計算される。

本発明の有利な改善形態では、音速が別個の測定過程により検出される。この測定過程では音響パルスが音波発生器から測定容積に出力され、圧力センサにより検出される。音波発生器と圧力センサとが相互に対向して配置されていれば、間隔と伝搬時間から音速が計算される。このことは、測定経過に遅延をほとんど生じさせないような非常に高速の測定方法である。
本発明の別の改善形態では、圧力経過が電子的計算器によって記憶され、この電子的計算器はデータの直接的な処理を可能にする。

測定方法の別の有利な改善形態では、圧力測定値から測定容積の圧力固有振動の周波数が検出される。固有振動から音速が測定容積全体にわたる平均パラメータとして得られ、このときは相応の装置による別個の測定が必要ない。例えばここでは、周波数分析をフーリエ変換法により行うことができる。

圧力測定値のフィルタリングは例えばローパスフィルタにより実行される。これによりノイズがほぼ除去される。圧力信号を時間的に微分することにより噴射量率が検出される。

請求項１０の構成を有する本発明の装置は従来技術に対して、測定信号がより良好にフィルタリングされるという利点を有する。このために圧力センサは第１の圧力固有振動、すなわち基本固有振動の圧力節に配置される。これにより圧力センサは基本固有振動の信号を検出しない。従って圧力測定値を平滑化するためのローパスフィルタの遮断周波数は係数２だけ上方にシフトすることができる。

図面
図面には本発明の装置の実施例が示されている。
図１は、概略的に示した素子を備える測定装置の概略図である。
図２は、第１の圧力固有振動の圧力経過を伴う測定容積を示す。
図３は、圧力とその時間導関数をプロットした測定線図である。

実施例の説明
図１には測定装置が部分的断面図で示されている。壁２を備えるシリンダ状の測定容積１には検査流体が完全に充填されており、測定容積１のすべての側は封鎖されている。壁２は第１基本面１０２と第２基本面２０２を有し、これらは側壁３０３により結合されている。測定容積１は長手軸４を有する。壁２の第１基本面１０２にある開口部１０を通って、噴射弁３がその先端を以て測定容積１に突出している。ここで噴射弁３の貫通部は壁２により流体密に封鎖されている。噴射弁３は弁体７を有し、この弁体では孔部６内にピストン状の弁ニードル５が長手方向にスライド可能に配置されている。弁ニードル５の長手方向の運動により、複数の噴射開口部１２が開放または閉鎖される。複数の噴射開口部は測定容積１に突出する噴射弁の先端に形成されている。噴射開口部１２が開放すると、検査流体が、弁ニードル５と孔部６の壁の間に形成された圧力室９から噴射開口部１２に流動し、そこから測定容積１に噴射され、噴射開口部１２は弁ニードル５により再び閉鎖される。ここで検査流体の噴射は高圧に行われる。この圧力は使用される噴射弁に応じて２００ＭＰａまでに達する。

シリンダ状壁２の側壁３０３には、圧力保持弁１７と接続された管路１６が連通しており、この管路を通って検査流体を測定容積１から図示しない漏れ容積に導くことができる。管路１６にはさらに制御弁１５が配置されており、この制御弁により必要な場合には管路１６を閉鎖することができる。例えば検査流体を測定容積１から導出したくない場合である。圧力保持弁１７により、所望の圧力が測定容積１内に維持されることが保証され、測定容積は常に完全に流体により満たされたままとなる。

ホルダ２２が壁２の第２基本面２０２を通って測定容積１に入り込んでいる。ホルダ２２の端部には圧力センサ２０が配置されており、圧力センサは信号線路２４を介して電子計算機２８と接続されている。信号線路２４はホルダ２２内で測定容積１から取り出される。ここでホルダ２２の貫通部は壁２によって流体密に封鎖されている。圧力センサ２０は壁２の２つの基本面１０２，２０２の間の中心面に配置されており、従って２つの基本面１０２，２０２に対して同じ間隔を有する。圧力センサ２０も長手軸４上にあるから、圧力センサは側面３０３に対してすべての側で同じ間隔ｓを有する。電子的計算器２８を介して圧力センサ２０が送出する信号を読み出し、電子的に記憶することができる。圧力経過を高速に測定するため、圧力センサ２０は例えば圧電ベースで構成されており、圧力の高速変化をほとんど遅延なしで測定することができる。壁２の側面３０３には音波発生器２１が配置されており、この音波発生器は圧力センサ２０から間隔ｓを有する。択一的に別個の音波受信器３０を、側面３０３にある音波発生器２１に対して直径方向に対向して配置することができる。これにより音波信号の伝搬区間を可及的に大きくすることができ、音速ｃ検出の際の精度が向上する。

検査流体の測定すべき噴射量Δｍは圧力上昇および音速から計算することができる。ρが検査流体の密度であり、Ｖが測定容積の容積であれば、噴射弁の噴射により容積Ｖが一定の場合、密度の変化Δρが生じ、次式が当てはまる。

Δｍ＝Ｖ・Δρ
既知の音響理論に従い、音速ｃ、密度変化Δρと圧力上昇Δｐの関係は次のとおりである。

Δρ＝Δｐ・１／ｃ^２
従って
Δｍ＝Ｖ・１／ｃ^２・Δp=V・ρ／K・Δｐ （２）
従って直接的関係が圧力上昇Δｐと量変化Δｍとの間に存在する。

圧力センサ２０により圧力の時間的経過が測定され、ここから噴射率ｒ（ｔ）が検出される。すなわち時間単位ｄｔ当たりに噴射される検査流体の量ｄｍ（ｔ）が検出される。上記の関係から噴射率ｒ（ｔ）に対して、すなわち噴射される量の時間導関数ｄｍ（ｔ）／ｄｔに対して次式が得られる。

ｒ（ｔ）＝ｄｍ（ｔ）／ｄｔ＝Ｖ／ｃ^２・ｄｒ（ｔ）／ｄｔ （３）
すなわち音速ｃと容積Ｖが既知であれば、圧力の時間的経過ｐ（ｔ）から噴射率ｒ（ｔ）の絶対値を計算することができる。

検査流体が測定容積１に噴射されると、例えば１ＭＰａに相当する一定の圧力を最初は有する測定容積の圧力が上昇する。流体は気体と比較して実質的に圧縮不可能である。従って小さな量増加であっても良好に測定可能な圧力上昇を引き起こす。検査流体を衝撃的にもたらすことにより、測定容積１では圧力固有振動が励起される。固有周波数は測定容積１の幾何的寸法に依存している。縦波が長手軸４に沿って振動するいわゆる基本振動である第１圧力固有振動に対しては、半波長λ／２が測定容積１の長さＬに等しい。従って次式が成り立つ。

λ＝λｅ＝２・Ｌ
図２はこの第１圧力固有振動を概略的に示す。ここでｐにより示されたラインは圧力経過を示す。この圧力経過では、縁部に圧力腹があり、シリンダ状測定容積の中央の半径面には圧力節があり、ここに圧力センサ２０が配置されている。第１圧力固有振動の周波数υｅは単純に音速ｃから式λｅ・υｅ＝ｃに従い計算される。

υｅ＝ｃ／λｅ＝ｃ／（２・Ｌ）
ｎ次高調波の周波数υｎに対しては相応に次式が当てはまり、測定容積Ｌの長さはλ／２の倍数でなければならない。

υｎ＝（ｎ・ｃ）／（２Ｌ）
圧力センサ２０は第１圧力固有振動には応答しない。なぜなら圧力節には圧力変化が発生しないからである。同様に２次、４次およびすべての偶数高調波も圧力センサ２０によりほとんど記録されない。

測定を評価するためには次のように行う。検査流体の存在する測定容積１に噴射弁３が、弁ニードル５の高速縦方向運動によって所定の流体量を噴射する。この弁ニードルによって噴射開口部１２は開放および再度閉鎖される。圧力センサ２０は圧力ｐ（ｔ）を測定し、この圧力は所定の率、例えば１００ｋＨｚで計算器２８により読み出され、記憶される。

噴射量ｄｍ（ｔ）の時間経過、すなわち噴射率ｒ（ｔ）を検出するために、式（３）を使用する。計算器に記憶された測定値ｐ（ｔ）は時間的に微分され、係数Ｖ／ｃ^２により乗算され、噴射率ｒ（ｔ）が直接的に得られる。

音速を検出する他に、別個の測定により音速を測定された圧力測定値から直接検出することもできる。計算器２８に記録された圧力測定値には一方でノイズがのっており、他方では測定容積１の圧力固有振動が重畳されている。このことはさらなる錯誤の原因となる。周波数分析により圧力測定値から圧力固有振動の第１高調波の周波数を検出することができる。ここから上記の関係ｃ＝υ・Ｌに従い音速ｃが計算される。この音速は使用される検査流体における所定の条件下のものである。もちろんｃの値はほぼ既知であるが、検査流体の組成変化または温度変化によって変動する。このことは測定精度の劣化につながる。圧力測定値をローパスフィルタによりフィルタリングすることによって、高周波ノイズを抑圧することができる。測定容積の中央に圧力センサ２０を配置することによって、ローパスフィルタに対する遮断周波数υGを２倍の大きさに選択することができる。なぜなら第１基本振動は圧力センサ２０により記録されないからである。平滑化された圧力測定値は続いて時間的に微分され、係数Ｖ／ｃ^２との乗算後に容積Ｖが既知であれば噴射率ｒ（ｔ）が得られる。

音速ｃは別個の方法でも検出できる。このために音波発生器２１から音響パルスが送信される。この音響パルスは音波受信器として用いる圧力センサ２０または別個の音波受信器３０により伝搬時間ｔＬ後に記録される。音波発生器２１と圧力センサ２０との間の間隔ｓから次式に従い音速ｃが計算される。

ｃ＝ｓ／ｔＬ
上記の式（２）に従い、ただちに噴射量Δｍが得られる。

図３は、圧力ｐ（ｔ）とその導関数ｄｐ（ｔ）／ｄｔを時間ｔの関数として任意の時間単位Ｕで示す。圧力ｐ（ｔ）はほぼ時点ｔ＝２ｍｓで第１のレベルに上昇し、ほぼ時点ｔＡ＝２ｍｓで明らかに第１のレベルより高い第２のレベルに上昇する。これは、まず少量の検査流体の噴射と、約１ｍｓの間隔での比較的大きな量の噴射に相当する。噴射弁が自己着火式内燃機関の直接噴射に適切に使用されるなら、これはパイロット噴射または予噴射と後続の主噴射に分けられた燃料噴射に相当する。圧力センサ２０により測定された圧力信号ｐ（ｔ）が上記のように平滑化された後、導関数ｄｐ（ｔ）／ｄｔから噴射率ｒ（ｔ）に比例する値が得られる。係数Ｖ／ｃ^２との乗算によりここから噴射率ｒ（ｔ）の絶対値が得られる。

この測定方法は前記の測定構造と共に、圧力経過の測定、および現在の検査条件の下での音速ｃの検出を可能にする。ここから噴射量および噴射率が検出される。音速ｃが固有振動の周波数から計算されるなら、必要なすべてのパラメータを圧力経過から検出することができる。このことは付加的な構成部材によるエラーを排除する。圧力センサ２０を２つの基本面１０２，２０２のちょうど中央に配置することにより、ローパスフィルタの遮断周波数υGを基本振動υeの２倍の周波数まで上昇させることができ、フィルタによる質的劣化も生じない。従って別個の測定方法で音速を検出する較正方法は省略される。

検査流体は燃料とすることができるが、その特性が噴射弁の通常の使用で使用される物質に近似する流体でもよい。測定容積１はシリンダ形状に構成する必要はなく、正方形の測定容積１または他の適切な形状、例えば球を設けることもできる。圧力センサ２０はこの場合も、測定容積１の第１圧力固有振動の圧力節に配置され、フィルタリングのための遮断周波数をできるだけ高く選択できるようにする。

図１は、概略的に示した素子を備える測定装置の概略図である。 図２は、第１の圧力固有振動の圧力経過を伴う測定容積を示す。 図３は、圧力とその時間導関数をプロットした測定線図である。

Claims (14)

1. 流体、有利には液体燃料に対する噴射弁の噴射率測定方法であって、噴射弁（３）が流体を、流体の充填された測定容積（１）に噴射し、
   ここで測定容積（１）はすべての側が封鎖されており、圧力センサ（２０）が測定容積（１）の第１圧力固有振動の圧力節に配置されている形式の方法において、
   流体を噴射弁（３）により測定容積（１）に噴射し、
   測定容積（１）中の第１圧力固有振動の圧力節における圧力（ｐ（ｔ））を圧力センサ（２０）によって噴射中に測定し、当該測定値を記録し、
   測定容積（１）中の音速（ｃ）を、前記記録された圧力測定値（ｐ（ｔ））から検出し、
   噴射された検査流体量（ｍ（ｔ）；Δｍ）を前記圧力測定値（ｐ（ｔ））と音速（ｃ）から検出する、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、噴射中の圧力測定値（ｐ（ｔ））を電子的計算器（２８）により記録する方法。
3. 請求項１記載の方法において、音速（ｃ）を別個の測定方法により検出する方法。
4. 請求項３記載の方法において、音波発生器（２１）から音波受信器（２０；３０）までの音波信号の伝搬時間から音速を計算する方法。
5. 請求項１記載の方法において、音速（ｃ）を測定容積（１）の固有周波数（υｎ）から検出する方法。
6. 請求項５記載の方法において、固有周波数（υｎ）を圧力測定値（ｐ（ｔ））の周波数分析により検出する方法。
7. 請求項６記載の方法において、圧力測定値（ｐ（ｔ））をローパスフィルタによりフィルタリングする方法。
8. 請求項７記載の方法において、圧力測定値（ｐ（ｔ））の経過から、時間的微分により噴射率（ｒ（ｔ））に比例するパラメータを計算する方法。
9. 流体に対する噴射弁（３）の噴射率（ｒ（ｔ））の測定装置であって、測定容積（１）と、開口部（１０）と、圧力センサ（２０）とを有し、
   該測定容積はすべての側が封鎖されており、かつ検査流体が充填されており、
   前記開口部（１０）は、測定容積（１）の壁（２）に噴射弁（３）を収容するために設けられており、これにより噴射弁（３）は取り付け状態において少なくとも１つの噴射開口部（３）を以て測定容積（１）に突出し、
   前記圧力センサ（２０）は測定容積（１）中に配置されている形式の装置において、
   圧力センサ（２０）は、測定容積（１）の第１圧力固有振動の圧力節に配置されている、ことを特徴とする装置。
10. 請求項９記載の装置において、測定容積（１）はシリンダ状に構成されている装置。
11. 請求項１０記載の装置において、圧力センサはシリンダの２つの基本面（１０２；２０２）の中央にある半径面に配置されている装置。
12. 請求項９記載の装置において、電子的計算器（２８）が圧力センサ（２０）の測定値を検出し、記憶する装置。
13. 請求項１２記載の装置において、電子的計算器（２８）ではプログラムが実行され、該プログラムは記録された圧力測定値（ｐ（ｔ））から測定容積（Ｖ）の固有周波数を計算する装置。
14. 請求項９記載の装置において、測定容積（Ｖ）には音波発生器および別個の音波受信器（３０）が配置されている装置。

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