JP6335070B2 - 噴射計測装置及び噴射計測方法 - 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。

噴射計測装置としては、図４に示すように、検査液体を充填したシリンダ形状の測定容器１００と、測定容器１００内に検査液体を噴射するノズル（弁ニードル）１０１と、測定容器１００内の検査液体の測定容器１００の長手方向の軸に沿って振動する第１圧力固有振動１０２の節に配置した圧力センサ１０３とを備えた噴射計測装置が知られている（特許文献１）。

ここで、この噴射計測装置においては、測定容器１００内へのノズル１０１からの検査液体の噴射に伴う圧力変動を圧力センサ１０３で検出し、検出した圧力変動を周波数分析して、第１圧力固有振動１０２の第１高調波の周波数と、測定容器１００の長手方向の距離より推定した第１高調波の波長である推定波長とより音速を求める。そして、求めた音速と、測定容器１００の容積と、圧力センサ１０３で検出した測定容器１００内の検査液体の圧力上昇量とから、ノズル１０１から測定容器１００内へ噴射された検査液体の噴射量を算出する。

このような噴射計測装置によれば、測定容器１００内の検査液体の測定容器１００の長手方向の軸に沿って振動する第１圧力固有振動１０２の節に圧力センサ１０３を配置しているので、圧力センサ１０３への第１圧力固有振動の影響は抑制される。よって、圧力変動の検出の際に、第１圧力固有振動の周波数成分をノイズとしてフィルタによって除去する必要が無くなり、当該第１圧力固有振動の周波数成分を含む広い周波数範囲において検査液体の圧力変動を検出することができる。

特許4130823号公報

上述のように、圧力固有振動の周波数と圧力固有振動の推定波長より求まる音速と、測定容器の容積とより検査液体の噴射量を測定する噴射計測装置によれば、次のような問題がある。

すなわち、まず、計測に用いるノズル１０１の種類等によって、測定容器１００の容積が変化することがあるため、適正な計測を行うために、計測に用いるノズル１０１の交換の際に、測定容器１００の容積を計測し直して設定する煩雑な作業が必要となる。

また、上述のような、圧力固有振動の周波数と圧力固有振動の推定波長より音速を測定し、測定した音速を用いて検査液体の噴射量を測定する噴射計測装置によれば、推定波長の圧力固有振動の実際の波長に対する相違による誤差等、個々の噴射装置の特性等に応じた誤差が発生してしまうことがある。

そこで、本発明は、圧力固有振動の周波数と圧力固有振動の推定波長と測定容器の容積より検査液体の噴射量を測定する噴射計測装置において、煩雑な作業を必要とすることなく適正な計測を行えるようにすることを課題とする。

前記課題達成のために、本発明は、所定圧力で液体を内部空間に充填した密閉容器と、前記密閉容器の内部空間に向かって液体を噴射するノズルと、前記密閉容器の内部空間内の液体の圧力を検出する圧力センサと、前記密閉容器内の液体の圧力が前記所定圧力となるように排出する排出手段と、前記排出手段により排出された液体の質量を計測する排出質量計測手段と、係数を設定する係数設定手段と、前記係数設定手段によって設定された係数を用いて液体の噴射量を計測する計測手段とを備えた噴射計測装置を提供する。ここで、前記係数設定手段は、前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測した後、前記排出手段に液体を排出させて前記排出質量計測手段に排出された液体の質量を計測させると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆ_d、算定した上昇量をΔP_d、前記排出質量計測手段によって計測された液体の質量をN_dとして、係数Mを
M = N_d×ｆ_d ²/ΔP_d
により設定するものであり、前記計測手段は、前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測すると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆ、算定した上昇量をΔPとして、液体の噴射量Iqを、前記係数設定手段によって設定された係数Mを用いて、
Iq = M×(ΔP/ｆ²)
により算出するものである。

ここで、このような噴射計測装置は、前記密閉容器の内部空間を球形状とし、前記ノズルを、前記密閉容器の前記内部空間の球形状の球面に対して凹凸を形成しないように配置し、前記圧力センサを、前記密閉容器の前記内部空間の球形状の球面に対して凹凸を形成しないように配置することが好ましい。

このようにすることにより、液体の噴射によって発生する振動を乱れのない単一のモードの振動とすることができ、精度よく液体の振動の周波数を算出することができるようになる。また、この結果、液体の噴射量または噴射率を良好に測定できるようになる。

また、このような噴射計測装置が噴射量を計測する液体は、自動車エンジンやその他の燃料であってよい。
以上のような噴射計測装置によれば、ノズルの交換時など計測条件が変化したときに、係数設定手段に係数Mを設定させる簡易な作業を行うだけで、以降は、排出質量計測手段を用いずに、圧力センサを用いた高速かつ適正な噴射量の計測を行うことができる。

以上のように、本発明によれば、圧力固有振動の周波数と圧力固有振動の推定波長と測定容器の容積とより検査液体の噴射量を測定する噴射計測装置において、煩雑な作業を必要とすることなく適正な計測を行えるようになる。

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圧力センサの配置例を示す図である。 本発明の実施形態に係る噴射計測装置の測定部の機能構成を示すブロック図である。 従来の噴射計測装置の構成を示す図である。

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内の燃料の圧力を検出する圧力センサ４、連結管を介して密閉容器１に連結された排出バルブ５、排出バルブ５に連結され排出バルブ５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６、リリーフバルブ６から排出された燃料の質量を計測する質量流量計７、測定制御装置８を備えている。

次に、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の測定を行う測定部８２を備えている。
次に、図２ａに、密閉容器１の形状と、密閉容器１に対するインジェクションノズル２と圧力センサ４の配置を示す。
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に連結する排出流路１２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。そして、図１に示すように、排出流路１２には、連結管を介して上述した排出バルブ５が連結されている。

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の球形状の球面に対して凹凸なく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。

そして、圧力センサ４は、先端の測定子が内部空間１１の球形状の球面に対して凹凸なく位置するように固定されている。ここで、図２ａに示した例では、圧力センサ４は、内部空間１１の中心からインジェクションノズル２の先端の噴射口に向かう方向と、内部空間１１の中心から圧力センサ４の先端の測定子に向かう方向との間の角度θの絶対値が１３５度となるように配置している。

ここで、以上のように本実施形態では、密閉容器１の燃料が充填される内部空間１１の形状を球形状とし、インジェクションノズル２の先端と圧力センサ４の先端を内部空間１１の球形状の球面の一部を形成するように配置している。よって、密閉容器１の内部空間１１の球形状の内部には燃料以外の異物は存在せず、インジェクションノズル２から燃料を内部空間１１内に噴射すると、単一のモードの固有振動が、球形状の内部空間１１内の異物によって乱されない形態で発生する。よって、圧力センサ４で固有振動を他の振動に妨げられない形態で良好に検出することができる。

なお、このように内部空間１１の球形状の単一のモードの固有振動が発生するので、圧力センサ４は、先端が内部空間１１の球形状の球面上に位置する位置であれば、任意の位置に配置することができる。

すなわち、図２ａに示したように、圧力センサ４の先端が密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め下方向に位置するように圧力センサ４を配置することができる他、たとえば、図２ｂ、ｃ、ｄに示すように、圧力センサ４の先端が密閉容器１の内部空間１１の中心の斜め上方向や、横方向や、下方向に位置するように、圧力センサ４を配置することもできる。

次に、図３に、測定制御装置８の測定部８２の機能構成を示す。
図示するように、測定制御装置８の測定部８２は、FFT処理部８２１、ピーク周波数算出部８２２、フィルタ８２３、上昇圧力算出部８２４、噴射測定部８２５、係数設定部８２６を備えている。

以下、このような噴射計測装置の、燃料の噴射量（質量）の測定原理について説明する。
密閉容器１の容積をVとし、Kを燃料の体積弾性係数とすると、燃料を体積ΔVだけ密閉容器１内に噴射したときの密閉容器１内の燃料の圧力上昇ΔPは、式（１）で表される。

ΔP＝（K×ΔV）/V …（１）
一方、液体中の音速cは、ρを燃料の密度として、式（２）によって表される。
c ＝ ( K/ρ )^1/2 …（２）
よって、式（１）と式（２）とより、燃料の噴射量Iqは、式（３）で示される。
Iq = ΔV×ρ =(ΔP×V) / c² …（３）
ここで、密閉容器１の球形状の内部空間１１の燃料中の音速cは、λを内部空間１１の燃料の基本振動の波長、fを内部空間１１の燃料の基本振動の周波数として式（４）によって表される。

c ＝ ｆ×λ…（４）
そして、式（４）を式（３）に代入すると、式（５）が得られる。
Iq =(ΔP×V) / （ｆ²×λ² ）…（５）
いま、係数Mを、式（６）のように定めると、
M =V/λ² …（６）
式（５）は、式（７）によって表すことができる。

Iq = M×(ΔP/ｆ²) …（７）
ここで、密閉容器１の容積V、基本振動の波長λは、温度などによって変化する燃料の体積弾性係数や密度や噴射量に依存せずに、固定的に定まる定数であるため、係数Mも噴射量によらない定数となる。したがって、式（７）より、予め係数Mを求めて設定しておけば、液体の噴射量Iqは、燃料の基本振動の周波数fと、液体の圧力上昇ΔPより適正に算出することができる。

また、噴射量Iqを時間微分することにより、燃料の噴射率（質量）を算出することもできる。
以下、噴射計測装置において、以上のような式（６）、（７）を利用して燃料の噴射量を計測する動作について説明する。
噴射量の算出は、燃料の噴射量の計測動作の実行前に行う係数Mを設定するためのキャリブレーション動作と、係数Mの設定後に行う燃料の噴射量の計測動作とより実現される。

まず、キャリブレーション動作について説明する。
キャリブレーション動作において、測定制御装置８のシーケンス制御部８１は、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内に燃料を噴射し、排出バルブ５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に復帰させると共に、質量流量計７で排出された燃料の質量を計測させる処理を一度もしくは繰返し行う。

一方、測定制御装置８の測定部８２は、キャリブレーション動作において、シーケンス制御部８１の制御下で、以下のように係数Mを設定する。
すなわち、FFT処理部８２１は、圧力センサ４から出力される、密閉容器１内の燃料の圧力変動を表す圧力信号をFFT処理し、燃料の圧力振動の各周波数成分の大きさを算出する。ピーク周波数算出部８２２は、FFT処理部８２１が算出した燃料の圧力振動の各周波数成分の大きさがピーク(最大)となる周波数を、燃料の基本振動の周波数f_dとして算出する。

また、フィルタ８２３は、圧力センサ４から出力される圧力信号の高周波領域のノイズを除去し、上昇圧力算出部８２４はフィルタ８２３がノイズを除去した圧力信号から、密閉容器１内の燃料の圧力上昇ΔP_dを算出する。

そして、係数設定部８２６は、質量流量計７から、密閉容器１内の燃料の圧力を規定背圧に復帰させるために排出された燃料の質量N_dを取得する。そして、取得した質量N_dと、ピーク周波数算出部８２２が算出した燃料の基本振動の周波数f_dと、上昇圧力算出部８２４が算出した圧力上昇ΔP_dとより以下のように係数Mを算出し、噴射測定部８２５に設定する。

すなわち、係数設定部８２６は、式（７）によって、
N_d =Iq = M×(ΔP_d/ｆ_d ²)
の関係が成り立つので、
M = N_d×ｆ_d ²/ΔP_d
として、係数Mを算出する。

次に、このようにしてキャリブレーション動作によって係数Mを設定したならば、以降は、以下のように燃料の噴射量の計測動作を行う。
すなわち、測定制御装置８のシーケンス制御部８１は、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内に燃料を噴射し、排出バルブ５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に復帰させる処理を一度もしくは繰返し行う。

一方、測定制御装置８の測定部８２は、シーケンス制御部８１の制御下で、以下のように密閉容器１内への燃料の噴射の度に燃料の噴射量Iqを測定する。
すなわち、FFT処理部８２１は、圧力センサ４から出力される、密閉容器１内の燃料の圧力変動を表す圧力信号をFFT処理し、燃料の圧力振動の各周波数成分の大きさを算出する。ピーク周波数算出部８２２は、FFT処理部８２１が算出した燃料の圧力振動の各周波数成分の大きさがピーク(最大)となる周波数を、燃料の基本振動の周波数fとして算出する。

一方、フィルタ８２３は、圧力センサ４から出力される圧力信号の高周波領域のノイズを除去し、上昇圧力算出部８２４はフィルタ８２３がノイズを除去した圧力信号から、密閉容器１内の燃料の圧力上昇ΔPを算出する。

そして、噴射測定部８２５は、キャリブレーション動作で設定された係数Mと、ピーク周波数算出部８２２が算出した燃料の基本振動の周波数fと、上昇圧力算出部８２４が算出した圧力上昇ΔPとから、式（７）に従って燃料の噴射量Iqを算出する。なお、噴射測定部８２５において、さらに、燃料の噴射量Iqを時間微分して燃料の噴射率（質量）を算出するようにしてもよい。

ここまで、噴射計測装置において燃料の噴射量Iqを算出する動作について説明した。
ところで、上述したキャリブレーション動作は、インジェクションノズル２の交換時など計測条件が変化したときのみに行えば良く、計測動作を行う度に行う必要はない。また、キャリブレーション動作が完了したならば、質量流量計７は、これを取り外すようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明した。

なお、以上の実施形態では、質量流量計７を用いて、密閉容器１内の燃料の圧力を規定背圧に復帰させるために排出された燃料の質量N_dを計測するようにしたが、質量流量計７に代えて、排出された燃料の質量Nを計測する質量計を用いるようにしてもよい。または、質量流量計７に代えて、排出された燃料の体積流量を計測する流量計と、排出された燃料の温度を計測する温度計を用い、燃料の温度より求まる燃料の密度と流量計が計測した体積流量とより、排出された燃料の質量N_dを計測するようにしてもよい。

また、本実施形態は、燃料以外の任意の液体の噴射量や噴射率の計測にも同様に適用することができる。
以上のように本実施形態によれば、インジェクションノズル２の交換時など計測条件が変化したときのみに質量流量計７を用いてキャリブレーション動作を行えば、以降は、圧力センサ４のみを用いて、高速かつ適正に噴射量等の計測を行うことができるようになる。

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…圧力センサ、５…排出バルブ、６…リリーフバルブ、７…質量流量計、８…測定制御装置、１１…内部空間、１２…排出流路、８１…シーケンス制御部、８２…測定部、８２１…FFT処理部、８２２…ピーク周波数算出部、８２３…フィルタ、８２４…上昇圧力算出部、８２５…噴射測定部、８２６…係数設定部。

Claims (4)

1. 所定圧力で液体を内部空間に充填した密閉容器と、
   前記密閉容器の内部空間に向かって液体を噴射するノズルと、
   前記密閉容器の内部空間内の液体の圧力を検出する圧力センサと、
   前記密閉容器内の液体の圧力が前記所定圧力となるように排出する排出手段と、
   前記排出手段により排出された液体の質量を計測する排出質量計測手段と、
   係数を設定する係数設定手段と、
   前記係数設定手段によって設定された係数を用いて液体の噴射量を計測する計測手段とを有し、
   前記係数設定手段は、前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測した後、前記排出手段に液体を排出させて前記排出質量計測手段に排出された液体の質量を計測させると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆd、算定した上昇量をΔPd、前記排出質量計測手段によって計測された液体の質量をNdとして、係数Mを
   M = Nd×ｆd²/ΔPd
   により設定し、
   前記計測手段は、前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測すると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆ、算定した上昇量をΔPとして、液体の噴射量Iqを、前記係数設定手段によって設定された係数Mを用いて、
   Iq = M×(ΔP/ｆ²)
   により算出す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、
   前記密閉容器の内部空間は球形状を有し、
   前記ノズルは、前記密閉容器の前記内部空間の球形状の球面に対して凹凸を形成しないように配置されており、
   前記圧力センサは、前記密閉容器の前記内部空間の球形状の球面に対して凹凸を形成しないように配置されて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、
   前記液体は燃料であることを特徴とする噴射計測装置。
4. 所定圧力で液体を内部空間に充填した密閉容器と、
   前記密閉容器の内部空間に向かって液体を噴射するノズルと、
   前記密閉容器の内部空間内の液体の圧力を検出する圧力センサと、
   前記密閉容器内の液体の圧力が前記所定圧力となるように排出する排出手段とを備えた噴射計測装置において、前記ノズルにより噴射された液体の噴射量を計測する噴射計測方法であって、
   前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測した後、前記排出手段に液体を排出させて、排出された液体の質量を計測すると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆd、算定した上昇量をΔPd、計測された液体の質量をNdとして、係数Mを
   M = Nd×ｆd²/ΔPd
   により設定するステップと、
   前記ノズルから液体を噴射させ、当該液体の噴射による圧力の変動を前記圧力センサを用いて計測すると共に、計測した圧力の変動が表す圧力振動の周波数と、計測した圧力の上昇量とを算定し、算定した周波数をｆ、算定した上昇量をΔPとして、液体の噴射量Iqを、設定された係数Mを用いて、
   Iq = M×(ΔP/ｆ²)
   により算出するステップを有することを特徴とする噴射計測方法。