JP4381415B2 - 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、時間分解された容量的な流量過程を並進的な容量差ピックアップによって測定するための装置に関する。該流量過程は、とりわけ内燃機関において行われる噴射プロセスの流量過程であり、該容量差ピックアップは基本的に、測定室内に配置されたピストンと該ピストンの変位をピックアップする検出装置とから成り、該検出装置は評価ユニットに接続されている。

とりわけ、ディーゼル方式またはオットー方式で動作する直接噴射式の内燃機関の領域では、調量される量、噴射の時点および噴射の経過に関して噴射システムに対して課せられる要求は常に上昇している。それゆえここ数年は、燃焼サイクル１つあたりで調量すべき噴射量を複数の小さな部分噴射に分割することによって噴射経過を改善するか、または、燃料圧の変化または速度を変化させる手段によって速度経過の形成をコントロールすることによって噴射経過を改善していた。こうするためには、適切な測定装置を設けなければならない。

これに相応して、ＤＥ３１３９８３１Ａ１には、測定室内に噴射された噴射量によって測定ピストンを運動させる方法が記載されている。ここでピストンが移動した距離から、噴射量が推定される。所定数の個々の噴射が行われた後、測定ピストンは初期位置に戻される。ここで検出されるのは、測定ピストンの最終位置である。しかしこの方法では、ピストン質量の慣性および摩擦が発生することにより、今日の状況では測定の不正確さは大きくなってしまう。

このことに関連して、ＤＥ３９１６４１９Ａ１には、電磁的に制御される次のような測定装置が記載されている。すなわち、ＤＥ３１３９８３１Ａ１に記載された装置を発展させたものであり、各噴射の終了後に測定室を空にする測定装置が記載されている。こうすることにより、測定すべき全容量が小さくなるので、より精確な測定結果が得られるが、運動させるべきピストン質量が比較的大きいという問題が残る。この問題によっても、システムにおいて振動および遅延が発生してしまう。したがって、たとえば後噴射および該後噴射の経過分析を精確に測定することはできない。さらに、各測定ピストンの負荷除去が負荷除去バルブによって行われるので、内燃機関の通常動作時に通常行われるような、連続する非常に短い噴射に分解することはできない。

測定精度を改善するためにこの装置を発展させた構成が、ＤＥ４４３４５９７Ａ１で提案されている。ここでは、測定ピストンの戻り速度は一定に維持されるので、空になる際の電磁弁の切り替え遅延も考慮することができる。ピストンの初期位置の再現性がこのように改善されても、とりわけピストン質量が比較的大きいことに起因する該システムの振動の脆弱性は残ってしまう。さらに、時間的に近い個々の噴射および個々の噴射の経過を分解することは、全システムの慣性に起因して不可能なままである。

ＤＥ４１３０３９４Ａ１では、閉鎖された圧力容器内に噴射が行われる噴射量測定装置が提案されている。前噴射ないしは主噴射後にその都度存在する圧力が測定された後、改めて弁が切り替えられ、噴射された量が測定領域内へ流出される。この測定領域内には、液体によって運動するピストンが設けられており、このピストンの運動から、噴射された容量が推定される。このような構成によって、主噴射ないしは後噴射に関して噴射プロセスを分解することはできるが、たとえば主噴射中に噴射経過に関して量的な予測を行うことはなお不可能である。というのも、連続的な量測定が行われないからである。また、このような構成では、そのために適切な測定を運転中のエンジンで行うことはできない。というのも、そこで実現される速度で、連続する複数の動作サイクルを測定することはできないからだ。

ＷＯ００／７９１２５では、ＤＥ４１３０３９４Ａ１の測定原理が引き継がれている。特に、圧力容器内の圧力は連続的に測定されるので、各個別の噴射の経過に関して予測を行うことができる。しかしこの構成は非常に複雑であるため、多数の影響量によって測定精度および設備の信頼性が低減されることになる。このような装置でも、運転中のエンジンで使用することはできない。

これに対して択一的に、ＷＯ０２／０５４０３８では、可動のピストンを比較的簡単に構成することにより、後振動を可能な限り回避し、容量性センサまたは渦電流原理で動作するセンサを使用して、測定すべき距離をピックアップできるようにすることが提案されている。前記容量性センサまたは渦電流原理で動作するセンサは、非接触で動作する。このような構成によって、測定精度はさらに向上されるようになっている。

ＤＥ１７９８０８０でも、電子制御式の流量測定調量装置が記載されている。この装置は、大きな測定領域で流量を高精度で測定することができる。この測定装置は、慣性がごく僅かであるため、流量を即時に測定するのに最適であるが、サイクル同期の流速情報を表示することはできない。このことは、オットーエンジンまたはディーゼルエンジンの動作サイクルと同時に、測定すべき噴射プロセスの精確な経過および周期性を表すことは不可能であることを意味する。

前記装置を除いてすべての公知の装置に共通する点は、噴射装置の下流の不連続的な流量のみが測定されるように構成されていることである。このことは、流速測定を、噴射流の噴射流拡大の光学的な検査と組み合わせて実施することはできないという欠点をもたらす。さらに、測定精度が制限されるという欠点もある。

噴射装置の下流に取り付けられる連続的に動作する流量測定装置は、ＤＥ３３０２０５９にも開示されている。ここでは噴射ノズルは、歯車ポンプに繋がっている流路に噴射する。この流路は、第２の流路に対して並列に接続されており、第２の流路内には、ピストンが摺動可能に案内されている。これら２つの流路は一緒に、必要な噴射容量を形成し、この噴射容量はピストンの運動によって変更されるようになっている。ピストンの移動距離は、一方では測定され、他方では電子制御回路を介して制御モータへ供給され、歯車ポンプの回転数制御のために使用される。このような装置による噴射量測定では、ピストンの慣性と、被噴射流体の物理的特性を考慮しないことに起因して、十分に精確な測定結果は得られない。

したがって本発明の課題は、時間分解された容量的な流量過程を測定するための次のような装置を提供することである。すなわち、高い測定精度で量的および質的に評価可能な結果を実現する装置を提供することである。該装置は可能な限り、噴射弁の前方に位置付け可能であるべきであり、運転中のエンジンで連続的に噴射量および噴射プロセスを測定できなければならない。このことによって、噴射の安定性を各サイクルかつ各噴射弁で、統計的な特性量を介して量的に判定できるようになる。これに相応して、噴射速度等の測定値または多重噴射の部分量、ならびに比較的長い経過にわたって噴射される総量も可視化できるようにしなければならない。

前記課題は、測定室内に、ピストンの変位をピックアップする検出装置の他に付加的に、圧力センサも配置し、該圧力センサを評価ユニットに接続することにより、圧力センサの測定値によって該評価ユニットで、検出装置の測定値から求められた流量が補正されるように構成することによって解決される。圧力センサを使用することで、噴射量の計算時の測定誤差が、流体の圧縮性を考慮することにより低減され、測定の結果が量的にも質的にも格段に改善される。

有利な実施形態では、並進的な容量差ピックアップに回転性のディスプレーサが割り当てられる。この回転性のディスプレーサはモータを介して、印加された容量差に依存して駆動される。ここでは測定室は流入路内に配置されており、この流入路は、流動方向に並進的な容量差ピックアップの後方で流出路に合流し、回転性のディスプレーサは、該並進的な容量差ピックアップに対するバイパス管路内に配置されている。回転性のディスプレーサは、動作サイクル中は該ディスプレーサの回転数が一定であり、全動作サイクルの平均的な流量に実質的に相応するように制御される。１つの動作サイクルは、ここではたとえば、前噴射、主噴射および後噴射に相応する。

有利には検出装置は、次のようなセンサから成る。すなわち、該センサによって生成される電圧がピストンの変位の尺度であり、該ピストンの変位を測定室で連続的に検出するセンサから成る。したがって流量変化は、センサでの相応の電圧変化を介して識別され、評価ユニットへの伝送によって、この結果を簡単に噴射量および噴射経過に換算することができる。変位を連続的に検出することにより、このような装置を、連続する多数の噴射プロセスすなわち動作サイクルを伴う作動中のエンジンでも使用することができる。というのも、たとえば従来技術のように弁によって測定室を空にする必要がなくなるからである。さらにこのような装置は、燃料噴射弁の前方にも後方にも取り付けることができる。

ピストンが測定液体と等しい比重を有すると有利である。ピストンの比重が測定液体の比重に相応し、該ピストンが自由可動に配置される構成によって、流量変化はほぼ時間遅延なしで、センサにおける相応の電圧変化によって識別され、個々の噴射の時間的な経過を表すことが可能になる。

付加的に測定室には、温度センサも配置することができる。この温度センサは評価ユニットに接続され、これによって室内の温度も一緒に考慮され、測定の精度をさらに向上することができる。というのも、圧力信号および温度信号に基づいてピストン移動距離を、等圧条件および等温条件で測定中に得られる理想的なピストン移動距離に換算できるからである。これに相応して、流体の圧縮性モジュールも温度および圧力の関数として考慮される。

並進的な容量差ピックアップのセンサはここでは、光学的センサ、誘導型センサ、または渦電流原理にしたがって動作するセンサとすることができる。このようなセンサは、ほぼ慣性なしで動作するので、非常に精確な測定値を供給する。

回転性のディスプレーサを歯車ポンプとして構成すると有利であることが判明している。というのも、歯車ポンプはごく僅かな脈動を伴って搬送するからである。

流量全体を簡単に評価するために有利なのは、モータをサーボモータとして構成し、該モータに運動センサを設け、該運動センサを評価ユニットおよび電子制御回路に接続することであることが判明している。ここでは運動センサの信号が、回転性のディスプレーサの回転数の尺度である。たとえば光学的センサの信号および運動センサの信号を介して、回転性のディスプレーサを簡単に制御することができる。

ここで有利には、運動センサはパルス発生ディスクとして構成される。この構成によって、ディスプレーサの回転数を確実に、非常に精確に検出することができる。

有利には、燃料噴射弁から回転性のディスプレーサの入力側までの流体力学的な長さが、該回転性のディスプレーサの出力側までの流体力学的な長さと等しくされる。このことによって、圧力差が加わることなくディスプレーサを作動し、各時点で精確に、その時点までに噴射された量を検出できるようになる。

内燃機関で噴射プロセスを測定するために使用される場合、流体の圧縮性に起因して、圧力波が測定構成全体で拡散されることがある。このような圧力波の不所望の反射を分離するために本発明では、該流量測定装置は少なくとも１つの燃料噴射弁と遅延管（Laufzeitrohr）との間に配置される。

前記のようにして、連続的に時間分解されて、容量的な流量プロセスを測定できる装置が提供される。この構成は非常に簡単であり、かつ非常に高い測定精度を実現することができる。このことによって、噴射経過および噴射量ならびにこれらの安定性に関して、量的および質的に精確な予測を行うことができる。噴射速度または多重噴射の部分量等の測定値、ならびに等しい時間または比較的長い時間で噴射された総量を、本装置によって可視化することができる。

さらに、連続的な測定のために使用される回転性のディスプレーサを従来のように較正できるので、測定値を補正することによって、単発の測定も同様に簡単に較正できる。

本発明による装置が図面に示されており、以下で説明される。

図１ 噴射弁の後方に設けられた本発明による測定装置の構成を概略的に示す図である。

図２ ２つの前噴射、１つの主噴射および２つの後噴射を伴う動作サイクル中に歯車ポンプによる連続的な成分なしで得られる典型的なピストン経過と、その結果として得られる噴射量経過とを例示する図である。

図１には、内燃機関における噴射プロセスを、時間分解された容量性の流量プロセスを測定するための本発明の装置によって測定するための構成が示されている。本発明の装置は、流れを生成する装置と、燃料噴射弁１とから成る。この流れを生成する装置はここでは図示されておらず、この場合には通常、高圧ポンプである。燃料噴射弁１を介して、燃料は測定装置２内へ噴射される。測定装置２は流入路３から成り、この流入路３内に測定室４が配置されており、この測定室４内にもピストン５が自由に摺動可能に配置されている。このピストン５は、測定液体すなわち燃料と等しい比重を有する。測定室４内のこのピストン５は、並進的な容量差ピックアップとして使用される。測定室４にはセンサ６が配置されており、このセンサ６は、ピストン５と作用結合されている。センサ６ではピストン５の変位によって、該ピストン５の変位の大きさに依存する電圧が生成される。

付加的に、並進的な容量差ピックアップを迂回するバイパス管路７と、歯車ポンプ８の形態の回転性のディスプレーサとが配置されている。このバイパス管路７は、噴射弁１の後方に可能な限り近くで分岐されている。歯車ポンプ８は結合部９を介して、サーボモータ１０によって駆動される。流入路３もバイパス管路７も、流出路１１で合流する。

センサ６は評価ユニット１２に接続されており、この評価ユニット１２は、該センサ６の値およびモータ１０の回転数をピックアップして後続処理する。このモータ１０は、パルス発生器１３の形態の運動センサに接続されている。センサ６は、ここでは光学的センサとして構成されている。ピストン５と噴射装置１との間の測定室４には、圧力センサ１４および温度センサ１５が配置されている。これらは、この領域で発生する圧力および温度を連続的に測定し、これらも評価ユニット１２へ供給される。発生する圧力波の反射を阻止するため、測定装置２の流出路１１の後方に遅延管が配置されており、これによって圧力波は、測定プロセスから時間的に分離される。この遅延管は、ここでは図示されていない。

測定のシーケンスを、以下で説明する。燃料が燃料噴射弁１から測定装置２ないしは流入路３内へ噴射されると、ピストン５が遅延なしで、すなわち慣性なしで応答する。というのも、ピストンは燃料と等しい比重を有するからであり、ということは、供給された燃料柱（Kraftstoffsaeule）と等しいからである。したがってこのピストンの変位が、噴射された燃料量の尺度である。測定室４、流入路３、ピストンおよび歯車ポンプ８には、ここでは圧力差は発生しない。というのも、噴射弁１から歯車ポンプ８の入力側および出力側までの流体力学的な長さは等しくされているからである。バイパス流路７内に配置された歯車ポンプ８は、ピストン５の変位ひいては噴射量に依存する回転数と同期して駆動される。もちろん制御は、１つの動作サイクルにわたって、すなわち前噴射、主噴射および後噴射にわたって、歯車ポンプ８の回転数が一定に維持され、偏差が発生した場合、すなわち動作サイクルの終了時にピストン５の位置が該動作サイクル前の初期位置に相応しない場合にのみ、追従制御されるように行われる。こうするために電子制御回路１６において、動作サイクルの開始時および終了時のセンサ６の値が、パルス発生ディスク１３の値を使用して相互に比較され、モータ１０を駆動制御するために相応の信号が生成される。

ピストン５の変位は、噴射時の変位方向と反対方向の一定の速度を有する成分と、噴射プロセス中の不連続的な成分との重ね合わせによって発生する。これによって、ピストン５の運動に関してグラフ表示すると、実質的に鋸歯プロフィールが得られる。ここでは、歯車ポンプ９の回転によるピストン運動の連続的な成分は、線形回帰によって予め計算される。測定装置２全体は、流体の圧縮性による影響を可能な限り低く抑えるために、噴射弁１の可能な限り近傍に配置すべきである。測定室４内に配置された圧力センサ１４および温度センサ１５を使用して評価ユニット１２において、センサ６の信号すなわちピストン５の運動によって発生した信号は、燃料噴射量に時間軸で換算される。こうするために、歯車ポンプ８によって発生した運動の連続的な成分が、実際に移動した距離すなわちセンサ６の値から自動的に減算される。それに相応して評価ユニット１２は、サーボモータ１０に設けられたパルス発生器１３から、歯車ポンプ８を通過する流量を検出するために相応の信号を受け取る。電子的な評価ユニット１２での換算は、物理学ベースのモデル計算を介して行われる。このモデル計算では、実際に測定されたピストン移動距離が圧力信号および温度信号を使用して、等圧条件および等温条件で測定中に発生する理想的なピストン移動距離に換算される。これに相応してこの計算では、流体の圧縮性モジュールが温度および圧力の関数として考慮される。もちろんこのような計算は、歯車ポンプ８の一定の回転速度によって、ひいてはピストン５の連続的な運動成分によって格段に簡単になる。

図２に、誘導式のサンプリングによって測定された燃料噴射弁１のニードルストローク１７と、センサ６によって測定されたピストン移動距離１８と、圧力センサ１４によって測定された圧力経過１９と、該圧力経過１９によって補正されたピストン移動距離２０と、これらのデータから計算して得られた燃料噴射弁１の噴射量経過２１とが時間軸上に示されている。前記ピストン移動距離１８では、歯車ポンプ８によって発生した連続的な成分がすでに減算されている。この図から、第１の前噴射２２によって測定室４内のピストン５が変位され、測定室４内の圧力が上昇しているのが理解できる。その後、ピストン５の変位によって測定室４内の圧力は低下する。歯車ポンプ８の運動が一定であることにより、ピストン移動距離１８を導出するために使用される実測の移動距離の下降は一定である。実測の移動距離は、ここでは図示されていない。これに相応して圧力経過および温度経過１８−２１が、次の第２の前噴射２３、主噴射２４および２回の後噴射２５，２６の際に得られる。歯車ポンプ８は、圧力ひいてはピストン５の実際の位置が動作サイクルの終了時に、初期位置に再び相応するように制御される。

ピストン５の慣性がほぼ存在しないことに起因して該ピストン５が直接的に運動することにより、ここでは動作サイクル中に、マイクロ秒領域の変化も測定および使用することができる。このことによって該測定装置２は、異なる噴射弁１間で噴射量の比較を行うことができ、とりわけ噴射プロセスの時間的経過の比較も行うことができる。特定の時間インターバルにわたる総流量は、歯車ポンプ８のパルス発生器１３の出力から得られる。この時間インターバルは、噴射と同期される。

択一的に、上記の測定装置２を燃料噴射弁１の前方に配置することもできる。その際には、遅延管も流量測定部の前に配置され、測定装置２全体が高圧ポンプと燃料噴射弁１との間に配置される。付加的に、フルスロットル領域においてオーバステアが発生した際に相応の安全機能を実行することも考えられる。こうするためにはたとえば、測定室の流出側に対するバイパス流路を、ピストン５の変位が過度に大きい場合に、ここでは液体がオーバフローするように構成する。

さらにこのような装置は、別の流量プロセスを測定するのにも適していることが理解できる。

本発明の装置によって、運転中のエンジンにおける流量プロセスを、噴射弁の前方または後方で、任意の数の連続する燃料噴射パルスによって測定できる。したがって、燃料量、燃料経過に関して量的および質的に高レベルの予測を行うことができ、異なる噴射弁に関して判定することができる。

誘導式センサまたは光学的センサの他に、速度センサまたは加速度センサ等の別のセンサを使用して、独立請求項の請求の範囲から逸脱せずに、ピストンの変位を測定することもできる。このようなセンサによって生成される電圧も、ピストンの変位の尺度である。ここではピストンの速度ないしは加速度は、評価ユニットで実行される単独ないしは２重の積分を介して、移動経路に換算される。

噴射弁の後方に設けられた本発明による測定装置の構成を概略的に示す図である。 ２つの前噴射、１つの主噴射および２つの後噴射を伴う動作サイクル中に歯車ポンプによる連続的な成分なしで得られる典型的なピストン経過と、その結果として得られる噴射量経過とを例示する図である。

Claims (10)

1. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   該装置は、並進的な容量差ピックアップを有しており、
   該並進的な容量差ピックアップは、測定室内に配置されたピストンと、該ピストンの変位をピックアップする検出装置とから成り、
   該検出装置は、評価ユニットに接続されている形式のものにおいて、
   該測定室（４）内に、ピストンの変位をピックアップする検出装置（６）の他に付加的に、圧力センサ（１４）が配置されており、
   前記圧力センサ（１４）は、該評価ユニット（１２）に接続されており、
   前記圧力センサ（１４）の連続的に測定された測定値を使用して、該評価ユニット（１２）において、該検出装置（６）の連続的に実際に測定された測定値から求められた流量が、等圧条件での該検出装置（６）の理想的な測定値の計算によって補正されるように構成されており、
   該並進的な容量差ピックアップ（４，５，６）に回転性のディスプレーサ（８）が配属されており、
   前記回転性のディスプレーサ（８）はモータ（１０）を介して、印加された容量差に依存して駆動され、
   該測定室（４）は流入路（３）に配置されており、
   前記流入路（３）は流動方向で、該並進的な容量差ピックアップ（４，５，６）の後方で流出路（１１）に合流し、
   前記回転性のディスプレーサ（８）は、該並進的な容量差ピックアップ（４，５，６）に対するバイパス管路（７）に配置されており、
   前記回転性のディスプレーサ（８）の制御は、動作サイクル中に該回転性のディスプレーサ（８）の回転数が一定であり、該動作サイクル全体での平均的な流量に相応するように行われることを特徴とする装置。
2. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   該検出装置（６）は、次のようなセンサ（６）、すなわち、
   該センサ（６）によって生成される電圧が該ピストン（５）の変位の尺度であり、連続的に該測定室（４）内で該ピストン（５）の変位を検出するセンサ（６）である、請求項１記載の装置。
3. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   該ピストン（５）は、測定液体と等しい比重を有する、請求項１または２記載の装置。
4. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   該測定室（４）内に温度センサ（１５）が配置されており、
   前記温度センサ（１５）は、該評価ユニット（１２）に接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   該センサ（６）は、光学的センサ、誘導式センサ、または渦電流原理にしたがって動作するセンサである、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   前記回転性のディスプレーサ（８）は、歯車ポンプとして構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程あり、
   前記モータはサーボモータ（１０）として構成されており、運動センサ（１３）を有しており、
   前記運動センサ（１３）は該評価ユニット（１２）および電子制御回路（１６）に接続されており、
   前記運動センサ（１３）の信号は、前記回転性のディスプレーサ（８）の回転数の尺度である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   前記運動センサ（１３）は、パルス発生ディスクとして構成されている、請求項７記載の装置。
9. 時間分解された容量的な流量過程を測定するための装置であって、
   該流量過程は内燃機関における噴射過程であり、
   燃料噴射弁（１）から前記回転性のディスプレーサ（８）の入力側までの流体力学的な長さは、該回転性のディスプレーサ（８）の出力側までの流体力学的な長さに等しい、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 内燃機関において、時間分解された噴射過程を測定するための装置であり、
    該測定装置（２）は、少なくとも１つの燃料噴射弁（１）と遅延管との間に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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