JP6163013B2 - 噴射計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として、燃料の噴射量や噴射率を計測する噴射計測装置において燃料の体積弾性係数を算出する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、燃料を充填した密閉容器内に燃料を噴射すると共に、当該噴射による密閉容器内の圧力変化を計測し、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）。

また、燃料の体積弾性係数の計測に関わる技術としては、体積弾性係数を用いて算出した密閉容器内への燃料の噴射量と、燃料を噴射した後に密閉容器内の燃料の一部を密閉容器内の圧力が一定になるように排出したときの排出量との差に応じて、燃料の体積弾性係数を補正する技術や（特許文献１）、密閉容器に既知の体積変化を与えると共に当該体積変化に伴う圧力変化から燃料の体積弾性係数を算出する技術が知られている（特許文献２）。

特開２００１-１２３９１７号公報 特開昭６４-６３６４９号公報

以上のような体積弾性係数を補正、算出する技術によれば、燃料の排出量を検出する流量計や、密閉容器に体積変化を与える機構などの、比較的大がかりな特段の構成を備える必要があった。
そこで、本発明は、燃料が噴射される密閉容器内の燃料の体積弾性係数の算出を、より簡易な構成で実現することを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、内部空間に燃料を充填した密閉容器と、噴射口を備え、当該噴射口から前記密閉容器の内部空間に向かって燃料を噴射するインジェクションノズルと、測定子を備え、当該測定子に加わる前記密閉容器の内部空間内の燃料の圧力を検出する複数の圧力センサと、測定部とを備えた噴射計測装置を提供する。但し、前記複数の圧力センサは、各圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離が相互に異なるように配置されており、前記測定部は、前記インジェクションノズルから燃料の噴射による圧力変化の、各圧力センサにおける検出時刻の時間差と、各圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離の差とに応じて、前記内部空間内の音速を算出すると共に、算出した音速と前記内部空間内の燃料の密度とより、前記内部空間内の燃料の体積弾性係数を算出するものである。

ここで、このような噴射計測装置は、前記複数の圧力センサとして、二つの圧力センサを備え、前記測定部において、前記二つの圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離の差を、前記インジェクションノズルから燃料の噴射による圧力変化の前記二つの圧力センサにおける検出時刻の時間差で除算した値に基づいて、前記内部空間内の音速を算出するように構成してもよい。
また、このような噴射計測装置は、さらに噴射計測装置に、前記内部空間内の燃料の温度を検出する温度センサと、前記内部空間内の燃料の温度と密度との関係を表すマップとを設け、前記測定部において、前記マップが表す関係に従って温度センサが検出した温度より前記内部空間内の燃料の密度を算出するようにしてもよい。
また、このような噴射計測装置は、前記測定部において、算出した前記体積弾性係数と、前記圧力センサで検出した圧力の変化により、燃料の噴射量と噴射率とのうちの少なくとも一方を算出するようにしてもよい。

また、このような噴射計測装置は、前記密閉容器の前記燃料が充填される内部空間を球形状とし、前記インジェクションノズルから、前記球形状の中心に向かって前記燃料を噴射するようにすることも好ましい。
以上のような噴射計測装置によれば、圧力センサを複数備えるだけで燃料の体積弾性係数を算出することができる。また、この複数の圧力センサまたはその一部としては、燃料の噴射量や噴射率の算出に用いる圧力センサを共用することができる。

以上のように、本発明によれば、燃料が噴射される密閉容器内の燃料の体積弾性係数の算出を簡易な構成で実現することができる。

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圧力センサの配置例を示す図である。 本発明の実施形態で用いる配置位置における圧力センサの圧力信号波形を示す図である。 本発明の実施形態に係る測定部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１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温度センサ４、密閉容器１内の燃料の圧力を検出する二つの圧力センサ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Ｐｂ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、測定制御装置８を備えている。

また、測定制御装置８は、測定シーケンスの制御を行うシーケンス制御部８１と、測定シーケンスに従って燃料の噴射量や噴射率や体積弾性係数の測定を行う測定部８２とを備えている。
以下、このような噴射計測装置の二つの圧力センサ５の配置について説明する。
図２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆに本実施形態に係る圧力センサ５の配置の実施例を示す。
図２の各図に示すように、密閉容器１は、球形状の内部空間１１と、内部空間１１に連結する排出流路１２とが設けられており、内部空間１１、排出流路１２には、燃料が満たされている。
また、密閉容器１には、インジェクションノズル２が、先端の噴射口が内部空間１１の球形状の球面上に位置するように固定されており、インジェクションノズル２から燃料が内部空間１１の球形状の中心に向けて噴射される。また、図１に示すように排出流路１２には、連結管１３を介して上述した排出バルブ６が連結されている。

そして、先端の測定子が内部空間１１の壁面付近に配置された、２つの圧力センサ５が密閉容器１に対して固定されている。
なお、図２の各図では図示を省略したが、先端の測定子が密閉容器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も密閉容器１に対して固定されている
さて、図２ａの実施例１、図２ｂの実施例２、図２ｃの実施例３、図２ｄの実施例４、図２ｅの実施例５、図２ｆの実施例６に示すように、本実施形態では、インジェクションノズル２の先端の噴射口と圧力センサ５の先端の測定子との間の距離が、二つの圧力センサ５で異なるように、当該二つの圧力センサ５を配置する。

すなわち、各実施例に示すように、インジェクションノズル２の先端の噴射口と圧力センサ５の先端の測定子との間の距離が一方の圧力センサではＬ１となり、他方の圧力センサではＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）となるように、二つの圧力センサ５を配置する。
なお、インジェクションノズル２の噴射口が配置されている位置を密閉容器１の内部空間１１の中心の上方向として、図２ａの実施例１は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の横方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心斜め下方向に配置したものであり、図２ｂの実施例２は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め上方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心斜め下方向に配置したものであり、図２ｃの実施例３は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の横方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の下方向に配置したものであり、図２ｄの実施例４は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め下方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の下方向に配置したものであり、図２ｅの実施例５は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め上方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の下方向に配置したものであり、図２ｆの実施例５は、一方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め上方向に、他方の圧力センサ５を密閉容器１の内部空間１１の中心の横方向に配置したものである。

ここで、以下では、Ｌ=Ｌ２-Ｌ１として、この二つの圧力センサ５の測定子とインジェクションノズル２の先端の噴射口との間の距離Ｌ１とＬ２との差をＬで表すこととする。
ここで、このように、二つの圧力センサ５を、インジェクションノズル２の噴射口との間の距離をＬだけ異ならせて配置することの意義について説明する。
図３ｂ、ｃに、インジェクションノズル２から燃料を噴射した場合に、インジェクションノズル２の噴射口との間の距離を異ならせて設けた４つの圧力センサで検出された圧力信号の信号波形を示す。
ここで、図３ｂは、図３ａに示すように、インジェクションノズル２の噴射口が配置されている位置を密閉容器１の内部空間１１の中心の上方向として、密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め４５度上方向の位置に配置した圧力センサＡと、密閉容器１の内部空間１１の中心の横方向の位置に配置した圧力センサＢ、密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め４５度下方向の位置に配置した圧力センサＣと、密閉容器１の内部空間１１の中心の下方向の位置に配置した圧力センサＤの４つの圧力センサで検出した圧力信号の信号波形を表している。

また、図３ｃは、図３ｂの圧力信号の変動が開始する時間区間の部分を拡大して示したものである。
また、図３ｂ、ｃ共に、上から下に向かって順に、圧力センサＡで検出された圧力信号、圧力センサＢで検出された圧力信号、圧力センサＣで検出された圧力信号、圧力センサＤで検出された圧力信号を表している。
また、図３ａの圧力センサ５の配置において、インジェクションノズル２の先端の噴射口と圧力センサの先端の測定子との間の距離は、圧力センサＡは27.5mm、圧力センサＢは50.9mm、圧力センサＣは66.5mm、圧力センサＤは72.0mmである。また、圧力センサＡの測定子とインジェクションノズル２の噴射口までの距離Ｌ０と圧力センサＢの測定子とインジェクションノズル２の噴射口までの距離との差ＬＢは23.4mm、距離Ｌ０と圧力センサＣの測定子とインジェクションノズル２の噴射口までの距離との差ＬＣは=39.0mm、距離Ｌ０と圧力センサＤの測定子とインジェクションノズル２の噴射口までの距離との差ＬＤは44.5 mmである。

また、密閉容器１の内部空間１１に充填した燃料の温度は30度、密度は820.0kg/m³である。
そして、この場合、図３ｃに示されるように、圧力センサＡで検出された圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻を時刻０とすると、圧力センサＢで検出された圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻ｔＢは20μｓ、圧力センサＣで検出された圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻ｔＣは33μｓ、内圧力センサＤで検出された圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻ｔＤは38μｓであった。

ここで、ＬＢ／ｔＢ=1.17、ＬＣ／ｔＣ=1.18、ＬＤ／ｔＤ=1.17とほぼ一定であって、各圧力センサの圧力信号が表す圧力が有意に上昇する時刻間には、圧力センサの測定子のインジェクションノズル２の噴射口との間の距離に比例した遅延が生じている。
したがって、各圧力センサの圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻は、インジェクションノズル２の燃料の噴射により噴射口で発生した圧力波が圧力センサの先端の測定子に到達した時刻と考えることができる。
したがって、図２ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆに示したように、二つの圧力センサ５をインジェクションノズル２の噴射口との間の距離をＬ異ならせて配置することにより、二つの圧力センサ５の出力する圧力信号間の遅延より、密閉容器１の内部空間１１内の燃料を圧力波が伝搬する速度、すなわち音の速度（音速）を求めることができるようになる。なお、ここでは遅延時間の計測に圧力センサの圧力信号を使用した場合で説明したが、後に説明する圧力信号Ｓを時間微分した微分圧力信号ｄＳを使用してもよい。

さて、図１に戻り、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内に燃料が噴射されると、測定制御部８のシーケンス制御部８１は、測定部８２に燃料の体積弾性係数と噴射量と噴射率の算出を行わせ、排出バルブ６の開閉の制御を行い、密閉容器１内の燃料の圧力を規定背圧Ｐｂに復帰させる処理を一度もしくは繰返し行う。
以下、測定部８２における燃料の体積弾性係数と噴射量と噴射率の算出について説明する。
図４に、測定部８２の機能構成を示す。
図示するように、測定部８２は、圧力信号処理部８２１、遅延時間算出部８２２、音速算出部８２３、体積弾性係数算出部８２４、密度算出部８２５、温度-密度マップ８２６、噴射量/噴射率算出部８２７を備えている。
今、二つの圧力センサ５のうちの一方の圧力センサ５が出力する当該一方の圧力センサ５で検出した圧力を表す圧力信号をＳ１、他方の圧力センサ５が出力する当該他方の圧力センサ５で検出した圧力を表す圧力信号をＳ２で表すこととして、圧力信号処理部８２１は、圧力信号Ｓ１または圧力信号Ｓ２に対して、ローパスフィルタを用いて不要広域周波数成分を除去する周波数フィルタリング処理を施した圧力信号Ｓを生成したり、圧力信号Ｓを時間微分した微分圧力信号ｄＳを生成する処理を行う。

ただし、圧力信号処理部８２１は、圧力信号Ｓ１と圧力信号Ｓ２とを平均した平均信号に対して、ローパスフィルタを用いて不要広域周波数成分を除去する周波数フィルタリング処理を施して圧力信号Ｓを生成したり、圧力信号Ｓを時間微分した微分圧力信号ｄＳを生成する処理を行うようにしてもよい。

次に、遅延時間算出部８２２は、圧力信号Ｓ１と圧力信号Ｓ２との間の、各圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻の差、すなわち、インジェクションノズル２の燃料の噴射により発生した圧力波が二つの圧力センサ５の測定子に到達した時刻の差を遅延時間τとして算出する。

なお、各圧力信号が表す圧力が有意に上昇した時刻は、圧力信号が燃料噴射前の圧力（規定背圧Ｐｂ）から所定値以上増加した時刻として求めるようにしてもよいし、圧力信号を微分した信号の値が所定値を超えた時刻として求めるようにしてもよい。
ここで、遅延時間算出部８２２が算出した遅延時間τは、インジェクションノズル２の先端の噴射口で燃料の噴射により発生した圧力波の二つの圧力センサ５の測定子への到達時刻の差、すなわち、インジェクションノズル２の先端の噴射口で燃料の噴射により発生した音の二つの圧力センサ５の測定子への到達時刻の差を表すので、音速算出部８２３は、密閉容器１の内部空間１１内の音速ｖを、遅延時間算出部８２２が算出した遅延時間τと、二つの圧力センサ５の測定子とインジェクションノズル２の先端の噴射口との間の距離Ｌ１とＬ２との差Ｌと、予め設定しておいた補正係数αを用いて、
ｖ＝α・Ｌ／τ
により算出する。なお、Ｌは二つの圧力センサ５の配置位置に応じて定まる既知の固定値である。また、補正係数αは、予め実験的に求めた適切な値を設定しておく。

次に、内部空間１１内の燃料の圧力は、上述したリリーフバルブ７によって一定の規定背圧Ｐｂに維持されるので、内部空間１１内の燃料の密度は、内部空間１１内の燃料の温度に対して定まる。ただし、各回の燃料噴射による密度増加は無視できるほど小さいものとする。そして、温度-密度マップ８２６には、このような内部空間１１内の燃料の温度と、内部空間１１内の燃料の密度との関係が予め登録されている。

そして、密度算出部８２５は、温度センサ４が検出した密閉容器１の内部空間１１内の燃料の温度Ｔより、温度-密度マップ８２６を参照して、当該内部空間１１内の燃料の密度ρを算出する。
また、体積弾性係数算出部８２４は、液体を伝搬する音の音速と、液体の密度と、液体の体積弾性係数との間には、
体積弾性係数 = 密度・音速の二乗
の関係があることを利用して、音速算出部８２３が算出した音速ｖと、密度算出部８２５が算出した燃料密度ρより、内部空間１１内の燃料の体積弾性係数ｋを、
ｋ＝ρ・ｖ^２
により算出する。

そして、噴射量/噴射率算出部８２７は、液体を満たした容器内に液体を噴射したときに、その噴射量に比例して容器内の液体の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Ｚｅｕｃｈの方法により、燃料の噴射量と噴射率を算出する。
すなわち、容積Ｑ０の容器内に燃料を容積Ｑだけ噴射したときの容器内の燃料の圧力上昇Ｐｚは、燃料の体積弾性係数ｋを用いて、
Ｐz ＝（ｋ・Ｑ）／Ｑ０
と表されるので、噴射量/噴射率算出部８２７は、圧力信号処理部８２１で算出された圧力信号Ｓから求まる、インジェクションノズル２からの燃料噴射前後の圧力上昇Ｐｚと、体積弾性係数算出部８２４が算出した体積弾性係数ｋと、密閉容器１の内部空間１１の容積Ｑ０を用いて、
Ｑ＝（Ｐz・Ｑ０ ）／ｋ
によって、燃料の噴射量Ｑを算出する。

また、時間をｔとして、Ｑを時間微分することにより、燃料噴射率ｄＱ／ｄｔを、
ｄＱ／ｄｔ＝（Ｑ０ ／ｋ）ｄＰz ／ｄｔ
により算出する。
なお、この式のｄＰz ／ｄｔの項は、圧力信号処理部８２１で算出される微分圧力信号ｄＳの値を用いることができる。
以上、本発明の実施形態について説明した。
以上のように、本実施形態によれば、圧力センサ５を二つ備えるだけで燃料の体積弾性係数を算出することができる。また、この二つの圧力センサ５またはそのうちの一つの圧力センサ５は、燃料の噴射量や噴射率の算出に用いる圧力センサ５として共用することができる。

よって、本実施形態によれば、燃料の体積弾性係数の算出を簡易な構成で実現することができる。
なお、本実施形態では、圧力センサ５を二つだけ備えたが、３以上の圧力センサ５を備え、各圧力センサ５で検出したインジェクションノズル２の噴射により発生した圧力波の到達時刻の差を考慮して、内部空間１１内の音速ｖを算出するようにしてもよい。すなわち、たとえば、３以上の圧力センサ５のうちの２個の圧力センサ５の組合せの各組について音速を算出すると共に、その平均を最終的に音速ｖとして算出するようにしてもよい。

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…測定制御装置、１１…内部空間、１２…排出流路、１３…連結管、８１…シーケンス制御部、８２…測定部、８２１…圧力信号処理部、８２２…遅延時間算出部、８２３…音速算出部、８２４…体積弾性係数算出部、８２５…密度算出部、８２６…温度-密度マップ、８２７…噴射量/噴射率算出部。

Claims (4)

1. 内部空間に燃料を充填した密閉容器と、
   噴射口を備え、当該噴射口から前記密閉容器の内部空間に向かって燃料を噴射するインジェクションノズルと、
   測定子を備え、当該測定子に加わる前記密閉容器の内部空間内の燃料の圧力を検出する３個以上の圧力センサと、
   測定部とを備え、
   前記３個以上の圧力センサは、各圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離が相互に異なるように配置されており、
   前記測定部は、前記インジェクションノズルから燃料の噴射による圧力変化の、各圧力センサにおける検出時刻の時間差と、各圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離の差とに応じて、前記内部空間内の音速を算出すると共に、算出した音速と前記内部空間内の燃料の密度とより、前記内部空間内の燃料の体積弾性係数を算出し、
   かつ、
   前記測定部は、前記３個以上の圧力センサのうちの２個の圧力センサの組合せの各組について、当該組に属する２個の圧力センサの測定子と前記インジェクションノズルの噴射口との間の距離の差を、前記インジェクションノズルから燃料の噴射による圧力変化の当該２個の圧力センサにおける検出時刻の時間差で除算した値から求まる音速を算出すると共に、各組について算出した音速の平均を前記内部空間内の音速とすることにより、前記内部空間内の音速の算出を行う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、
   前記内部空間内の燃料の温度を検出する温度センサと、
   前記内部空間内の燃料の温度と密度との関係を表すマップとを備え、
   前記測定部は、前記マップが表す関係に従って前記温度センサが検出した温度より前記内部空間内の燃料の密度を算出することを特徴とする噴射計測装置。
3. 請求項１または２記載の噴射計測装置であって、
   前記測定部は、算出した前記体積弾性係数と、前記圧力センサで検出した圧力の変化とより、燃料の噴射量と噴射率とのうちの少なくとも一方を算出することを特徴とする噴射計測装置。
4. 請求項１、２または３記載の噴射計測装置であって、
   前記密閉容器の前記燃料が充填される内部空間は球形状を有し、
   前記インジェクションノズルは、前記球形状の中心に向かって前記燃料を噴射することを特徴とする噴射計測装置。