JP5918683B2 - 噴射計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、噴射計測装置における計測精度向上の技術に関するものである。

噴射計測装置に関する技術としては、図６ａに示すように、円筒の天井を上向きの円錐形状に置き換えた形状を持つ内部空間１０１を有する密閉容器１００を設け、密閉容器１００の内部空間１０１に燃料を充填した上で当該内部空間１０１内に、内部空間１０１内につながる導入路１０２を通してインジェクションノズル１０３から燃料を噴射すると共に、当該噴射による内部空間１０１内の圧力変化を圧力センサ１０４を用いて計測し、計測した圧力変化と燃料の体積弾性係数とに基づいて、燃料の噴射量や噴射率を計測する技術が知られている（特許文献１）。

特開昭６４-６３６４９号公報

Takamura, A., Fukushima, S., Omori, Y., and Kamimoto, T.著, "Development of a New Measurement Tool for Fuel Injection Rate in Diesel Engines", SAE Technical Paper 890317, 1989, doi:10.4271/890317., SAE International, 1989年02月01日発行

以上のような噴射計測装置によって算出した燃料噴射率の時系列信号である燃料噴射率信号には、燃料噴射時に内部空間１０１内に発生するキャビテーションを起振力とする衝撃波による影響が、本来の燃料噴射率の周波数領域内の比較的広い周波数範囲に渡って表れるため、本来の燃料の噴射率を広い周波数範囲に渡って精度よく算出することが難しかった。

そこで、本発明は、噴射計測装置において、より広い周波数範囲について、本来の燃料の噴射率を精度よく算出することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、噴射計測装置に、内部空間に燃料を充填した密閉容器と、前記密閉容器の内部空間へ燃料を噴射する、当該密閉容器に装着したインジェクションノズルと、前記インジェクションノズルからの燃料の噴射による前記密閉容器の内部空間の燃料の圧力変化を測定し、測定した圧力変化と前記燃料の体積弾性係数より、燃料の噴射率を計測する計測部とを備えると共に、前記密閉容器の前記燃料が充填される内部空間の形状を球形状としたものである。

ここで、このような噴射計測装置に、上部に前記インジェクションノズルが嵌挿される、前記インジェクションノズルから噴射された燃料の前記内部空間への通路となる導入路を設ける場合には、当該導入路は、その側壁の方向が、当該方向が前記インジェクションノズルの噴射位置において前記インジェクションノズルの軸方向となり、当該方向が前記球形状の周面との連結点において前記内部空間の前記球形状の周面に沿う方向となるように、なだらかに変化するものとすることが好ましい。

または、このような噴射計測装置は、前記インジェクションノズルを、当該インジェクションノズルの燃料噴射口側先端が、前記内部空間の前記球形状の周面に位置するように配置して、前記内部空間に連結する、前記インジェクションノズルから噴射された燃料の通路となる導入路を設けないようにしてもよい。

または、このような噴射計測装置は、前記インジェクションノズルを、前記インジェクションノズルの燃料噴射口側先端が、前記内部空間に突出するように配置して、前記内部空間に連結する、前記インジェクションノズルから噴射された燃料の通路となる導入路を設けないようにしてもよい。

これらの噴射計測装置によれば、密閉容器の容積に対する内部空間の端から端までの長さの最大長を最小とし、燃料噴射率の時系列信号である燃料噴射率信号に含まれる、燃料噴射時に発生するキャビテーションを起振力とする衝撃波による成分の周波数領域をより高周波数側へ移動して、本来の燃料噴射率の成分と重複する周波数範囲を小さくすることができる。

よって、ローパスフィルタを用いて、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分を、本来の燃料噴射率の成分の多くの部分を残したまま除去することが可能となり、結果、より広い周波数範囲について、本来の燃料の噴射率を精度よく算出できるようになる。

以上のように、本発明によれば、噴射計測装置において、より広い周波数範囲について、本来の燃料の噴射率を精度よく算出できるようになる。

本発明の実施形態に係る噴射計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る密閉容器の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る密閉容器の他の構成例を示す図である。 本発明の実施形態の効果を示す図である。 本発明の実施形態の効果を示す図である。 従来の密閉容器と、本発明の実施形態において比較例とする密閉容器を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１ａに本実施形態に係る噴射計測装置の構成を示す。
図示するように、噴射計測装置は、燃料で満たされた密閉容器１、密閉容器１内に燃料を噴射するインジェクションノズル２、インジェクションノズル２に噴射する燃料を供給するインジェクションポンプ３、密閉容器１内の燃料の温度を検出する１つまたは複数の温度センサ４、密閉容器１内の燃料の圧力を検出する１つまたは複数の圧力センサ５、密閉容器１から外部への燃料排出路を開閉する排出バルブ６、排出バルブ６に連結され排出バルブ６が開状態にある期間中、密閉容器１内の燃料の圧力が規定背圧Ｐとなるまで密閉容器１内の燃料を排出するリリーフバルブ７、リリーフバルブ７によって密閉容器１から外部に排出された燃料量を計測する流量計８、測定制御装置９とを備えている。複数の圧力センサ５を使用する場合は、測定レンジの異なる圧力センサを使用することが好ましい。

また、測定制御装置９は、測定シーケンスの制御を行うシーケンス制御部９１と、測定シーケンスに従って燃料の噴射量や噴射率の測定をおこなう測定部９２とを備えている。
ここで、このような噴射計測装置の、燃料の噴射量と噴射率の測定原理について、図１ｂを用いて示す。
噴射計測装置の測定原理は、Ｚｅｕｃｈの方法と呼ばれるものであり、燃料を満たした密閉容器１中に燃料を噴射したときに、その噴射量に比例して容器内圧力が上昇することを利用して噴射量や噴射率を求めるものである。
すなわち、今、図１ｂのように、容積Ｖ0 の容器内に燃料を容積Ｖだけ噴射したときの密閉容器１内の液体の圧力上昇Ｐｚは、ｋを液体の体積弾性係数とすると式（i）で表される。
Ｐz ＝（ｋＶ）／Ｖ0 …（i）
よって、噴射量Ｖは、式（ii）で表わされる。
Ｖ＝（Ｐz×Ｖ0 ）／ｋ …（ii）
また、時間をｔとすると、式（ii）を時間微分することにより、燃料噴射率ｄＶ／ｄｔが式（iii）で求められる。
ｄＶ／ｄｔ＝（Ｖ0 ／ｋ）ｄＰz ／ｄｔ …（iii）
よって、以上の式（ii）、（iii）から、燃料の噴射量と噴射率の両方が求められることになる。
以下、このような噴射計測装置の計測動作について説明する。
いま、予め、体積弾性係数ｋの関数として、燃料の温度Ｔと圧力ｐの所定の関数ｈ（Ｔ，ｐ）が既知であるものとする。また、実際の計測においては、校正係数をｍとして、ｋ＝ｍ×ｈ（Ｔ，ｐ）によって校正して体積弾性係数ｋを用いるものとする。
そして、測定制御装置９のシーケンス制御部９１は計測時に各部の以下の動作を制御する。
１（初期化処理）：測定部９２は、校正係数ｍ＝１を設定する。
２（測定処理）：
（１）、測定部９２は温度センサ４が検出している密閉容器１内の燃料の温度Ｔと圧力センサ５が検出している密閉容器１内の燃料の圧力ｐを取得し、ｍ×ｈ（Ｔ，ｐ）によって、現在の体積弾性係数ｋを設定後、インジェクションポンプ３を駆動し、インジェクションノズル２から密閉容器１内に燃料を噴射させる。

（２）、燃料を噴射しながら、測定部９２で圧力センサ５が検出している密閉容器１内の燃料の圧力変化を取得する。
（３）、測定部９２は燃料噴射中に取得した圧力変化から、上記式（ii）、（iii）に従って、燃料の噴射量Ｖと、噴射率ｄＶ／ｄｔを算出する。
（４）、排出バルブ６を所定期間開き、密閉容器１内の圧力を規定背圧Ｐに復帰すると共に、測定部９２は密閉容器１内の燃料の温度Ｔと、流量計８により計測された密閉容器１から外部に排出された燃料量ＥＶと流量計８内を流れる燃料の温度Ｔｆを取得する。
（５）、（２）から（４）をｎ（ｎは１以上の整数）回繰り返す。
３（校正処理）：２（測定処理）においてｎ回の（３）で算出した噴射量Ｖの総量ＴＶと、２（測定処理）においてｎ回の（４）で算出された燃料量ＥＶの燃料温度Ｔに換算した総量ＴＥＶの誤差が解消されるように体積弾性係数ｋの校正係数ｍを設定する。すなわち、例えば、ｍ＝ＴＶ／ＴＥＶによって、体積弾性係数ｋの校正係数ｍを設定する。

４：２（測定処理）（２）から３（校正処理）をｊ（ｊは２以上の整数）回、繰り返す。
以上、噴射計測装置の計測動作について説明した。
次に、本実施形態に係る密閉容器１の詳細について説明する。
まず、本実施形態に係る密閉容器１の第１の実施例について説明する。
図２ａは、第１実施例に係る密閉容器１の断面を模式的に表した図であり、図示するように、密閉容器１は、球形状の内部空間１１と、内部空間１１に連結する導入路１２と、内部空間１１に連結する排出流路１３とが設けられており、内部空間１１、排出流路１３、導入路１２には、燃料が満たされている。

また先端の測定子部分が密閉容器１の内部空間１１に突出するように上述した温度センサ４や圧力センサ５が密閉容器１に対して固定されている。
ここで、導入路１２の内部空間１１の反対側端は、インジェクションノズル２が固定され、燃料が、インジェクションノズル２から導入路１２を通過して内部空間１１の球形状の中心に向けて噴射される。また、排出流路１３には、上述した排出バルブ６が連結されている。

次に、本実施形態に係る密閉容器１の第２の実施例について説明する。
図２ｂは、第２実施例に係る密閉容器１の断面を模式的に表したものであり、この例では、インジェクションノズル２が上部に挿入される導入路１２の側壁の形状を、上部における方向がインジェクションノズル２の軸方向となり、内部空間１１との接続点における方向が内部空間１１の球形状の接線方向となるように設定した緩和曲線１２１のインジェクションノズル２の軸廻りの回転体となる形状、すなわち、インジェクションノズル２の軸を通る垂直な面による断面端の形状が緩和曲線１２１となる形状としたものである。緩和曲線としてはクロソイド曲線などが使用できる。

次に、本実施形態に係る密閉容器１の第３の実施例について説明する。
図３ａは、第３実施例に係る密閉容器１の断面を模式的に表したものであり、この例では、導入路１２を無くして、インジェクションノズル２の先端（噴射口）が、内部空間１１の球形状の周面上に位置するように、すなわち、インジェクションノズル２の先端が、内部空間１１の球形状の周面の一部を形成するように、インジェクションノズル２を密閉容器１に固定するようにしたものである。

次に、本実施形態に係る密閉容器１の第４の実施例について説明する。
図３ｂは、第４実施例に係る密閉容器１の断面を模式的に表したものであり、この例では、導入路１２を無くして、インジェクションノズル２の先端（噴射口）が、内部空間１１の球形状の内側に僅かに突出するように、インジェクションノズル２を密閉容器１に固定するようにしたものである。

以下、図２、３に示した密閉容器１の意義について説明する。
まず、体積弾性係数は圧力により僅かに変化するため、密閉容器１の容積を過度に小さくすると燃料噴射による圧力上昇により、噴射期間中の体積弾性係数を一定とみなせなくなるほどに大きく変化してしまう。一方、密閉容器１の容積を過度に大きくすると、燃料噴射による圧力上昇が小さくなるため測定感度が低下することとなる。よって、密閉容器１の容積は、以上を勘案して最適化した一定の容積である必要がある。

そして、図２、３に示すように、密閉容器１の内部空間１１を球形状とすれば、最適化した一定の容積に対する内部空間１１の端から端までの長さの最大長を最小とすることができる。なお、密閉容器１の内部空間１１を球形状とした場合の、内部空間１１の端から端までの長さの最大長は球形状の直径である。

また、このように内部空間１１の端から端までの長さの最大長を小さくすることにより、結果、上述した式（３）に従って算出した燃料噴射率の時系列信号である燃料噴射率信号中に含まれる、燃料噴射時に発生するキャビテーションを起振力とする衝撃波による成分の周波数領域を、より高周波数側に移動して、燃料噴射率信号中に含まれるキャビテーションを起振力とする衝撃波による成分と、燃料噴射率信号中に含まれる本来の燃料噴射率成分とが重複する周波数範囲を小さくすることができる。

よって、測定部９２において燃料噴射率信号を生成し、生成した燃料噴射率信号から、比較的高いカットオフ周波数を設定したローパスフィルタによって、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分を、本来の燃料噴射率の成分のより多くの部分を残したまま除去することが可能となる。

ここで、図４に、密閉容器１の内部空間１１を球形状とした効果を表す実験結果を示す。
図４ａは、比較例であり、密閉容器１を、図６ｂに示すように円筒の両底面を外向きの円錐形状に置き換えた形状を有する内部空間１１を備えたものとした場合に計測された燃料噴射率信号を表している。ここで、図４ａのａ１はカットオフ周波数２kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ａ２はカットオフ周波数４kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ａ３はカットオフ周波数8kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を表している。

また、図４ｂは、密閉容器１を、図２ａの密閉容器１とした場合に計測された燃料噴射率信号を表している。ここで、図４ｂのｂ１はカットオフ周波数２kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ｂ２はカットオフ周波数４kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ｂ３はカットオフ周波数8kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を表している。

また、図４ｃは、図３ａの密閉容器１とした場合に計測された燃料噴射率信号を表している。ここで、図４ｃのｃ１はカットオフ周波数２kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ｃ２はカットオフ周波数４kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を、ｃ３はカットオフ周波数8kHzのローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を表している。

なお、図４ａ、ｂ、ｃで用いた密閉容器１の容積は全て同じである。
図４に示すように、図４ａの比較例では、ローパスフィルタのカットオフ周波数を２kHzまで下げないと、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分を除去しきれないが、図４ｂ、ｃの内部空間１１を球形状とした密閉容器１によれば、４kHzカットオフ周波数のローパスフィルタで、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分をほぼ除去できていることが分かる。よって、この例によれば、比較例では、カットオフ周波数２kHzのローパスフィルタを用いてキャビテーションを起振力とする衝撃波による成分を除去する必要があるために、本来の燃料噴射率信号の０-２kHzまでの成分しか計測することができなくなるが、内部空間１１を球形状とした密閉容器１によれば、４kHzカットオフ周波数のローパスフィルタを用いれば、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分を除去することができ、結果、本来の燃料噴射率信号の0-４kHzまでの成分を得ることができることとなる。

また、図４ｂ、ｃの比較から理解されるように、図２ａの導入路１２を備えた密閉容器１よりも、図３ａに示した導入路１２を排した密閉容器１の方が、燃料噴射率信号に含まれる、燃料噴射時に発生するキャビテーションを起振力とする衝撃波の成分が小さく、より高いカットオフ周波数のローパスフィルタでも、キャビテーションを起振力とする衝撃波による成分をほぼ含まない燃料噴射率信号波形を得ることができる。よって、導入路１２を排することにより、より高いカットオフ周波数のローパスフィルタを用いて、より本来の燃料噴射率に近い燃料噴射率信号波形を得ることができることとなる。

次に、図５ａは、密閉容器１を、図２ａに示すように、球形状を有する内部空間１１を備えたものにおいて、導入路１２をまっすぐな形状の導入路１２とし、ローパスフィルタのカットオフ周波数４kHzとして、ローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を表している。また、図５ｂは、密閉容器１を、図２ｂに示すように球形状を有する内部空間１１を備えたものにおいて、導入路１２を緩和曲線（ここでは、クロソイド曲線）を用いた導入路１２とし、ローパスフィルタのカットオフ周波数４kHzとして、ローパスフィルタで高域成分を除去した後の燃料噴射率信号波形を表している。

導入路１２形状がまっすぐな形状であることを除き同条件の燃料噴射率信号波形を表す図５ａと、図５ｂの比較より理解されるように、緩和曲線を用いた導入路１２を用いれば、キャビテーションを起振力とする衝撃波の影響が小さい噴射率波形を得る事が出来ることが分かる。

したがって、図２ａに示すような真っ直ぐな導入路１２を備えた密閉容器１よりも、図２ｂに示したような緩和曲線を用いた導入路１２を用いた密閉容器１の方が、より本来の燃料噴射率に近い燃料噴射率信号波形を得ることができる。なお、このような緩和曲線を用いた導入路１２による効果は、密閉容器１の内部空間１１を球形状としない場合にも、これを得られることが期待できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。

１…密閉容器、２…インジェクションノズル、３…インジェクションポンプ、４…温度センサ、５…圧力センサ、６…排出バルブ、７…リリーフバルブ、８…流量計、９…測定制御装置、１１…内部空間、１２…導入路、１３…排出流路、９１…シーケンス制御部、９２…測定部。

Claims (2)

1. 球形状の内部空間に燃料を充填した密閉容器と、
   前記密閉容器の内部空間へ燃料を噴射するインジェクションノズルと、
   前記インジェクションノズルからの燃料の噴射による前記密閉容器の内部空間の燃料の圧力変化を測定し、測定した圧力変化と前記燃料の体積弾性係数より、燃料の噴射率を計測する計測部とを備え、
   前記密閉容器は、前記インジェクションノズルから噴射された燃料の前記密閉容器の前記内部空間への通路となる導入路を囲む内壁である導入路内壁と、前記球形状の内部空間を囲む、前記インジェクションから噴射された燃料を前記内部空間内に受け入れるための開口である燃料受入用開口を備えた球形状の内壁である密閉容器内壁とを有し、
   前記インジェクションノズルの軸を含む平面上に設定した、前記インジェクションノズルの軸から離間した位置にある緩和曲線の、インジェクションノズルの軸廻りの回転体の形状に等しい、前記緩和曲線の始点の回転体を周縁とする第１開口と前記緩和曲線の終点の回転体を周縁とする第２開口との二つの開口を有する形状を、前記導入路内壁は有し、
   前記導入路内壁の前記第１開口には前記インジェクションノズルの噴射口側端部が挿入されており、前記導入路内壁の前記第２開口の周縁は、前記密閉容器内壁の前記燃料受入用開口の周縁に連結しており、
   前記緩和曲線の前記始点における前記緩和曲線の方向は、前記インジェクションノズルの軸方向となっており、前記緩和曲線の前記終点における前記緩和曲線の方向は、前記導入路内壁の第２開口の周縁と前記密閉容器内壁の燃料受入用開口の周縁との連結点における前記導入路内壁の方向が、当該連結点における前記密閉容器内壁の接線方向となる方向であることを特徴とする噴射計測装置。
2. 請求項１記載の噴射計測装置であって、
   前記緩和曲線は、クロソイド曲線であることを特徴とする噴射計測装置。