JP6344851B2 - 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の長手方向の軸に沿って振動する検査液体の第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、検査液体の第１圧力固有振動１０２の第１高調波の周波数から音速を求めると共に、求めた音速と、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している。

このような噴射計測装置によれば、圧力センサ１０３が検査液体の第１圧力固有振動１０２の節に配置されているので、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

図４に示した噴射計測装置によれば、測定容器１００がシリンダ形状を有しているために、測定容器１００の長手方向の軸に沿って振動する固有振動の他に、長手方向と垂直な方向の軸に沿った振動や、測定容器１００の角における反射によって生じる振動など多くの振動モードが発生する。

また、この噴射計測装置では、圧力センサ１０３を測定容器１００内の検査液体の第１圧力固有振動１０２の節に配置するために、図４に示すように測定容器１００内に突き出した形態で圧力センサ１０３やその支持部材を設ける必要がある。そして、このために、圧力センサ１０３の存在によって、固有振動が乱れてしまったり、新たな振動モードが発生したりすることがある。

よって、この噴射計測装置においては、測定容器１００の長手方向の軸に沿った固有振動以外の振動モードの振動も圧力センサ１０３に作用する。そして、このことが、振動の周波数に基づいて算出する音速の算出精度の劣化を招く要因となっている。

また、この噴射計測装置によれば、圧力センサ１０３の配置位置に自由度が無く、このことが、噴射計測装置の設計上の妨げとなる場合がある。
そこで、本発明は、固有振動の周波数を用いて噴射の計測を行う噴射計測装置において、固有振動の周波数をより精度良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、球形状の内部空間に液体を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、前記内部空間側の端部が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なく配置されたノズルと、前記密閉容器の内部空間内の液体の圧力を検出する、前記内部空間側の端部が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なく配置された圧力センサと、前記圧力センサで検出した圧力の上昇量を算出する上昇圧力算出手段と、前記圧力センサで検出した圧力振動の周波数を算出する振動周波数算出手段と、前記上昇圧力算出手段が算出した圧力の上昇量と前記振動周波数算出手段が算出した圧力振動の周波数に基づいて、液体の噴射量と噴射率のうちの少なくとも一方を算出する噴射測定手段を備えた噴射計測装置を提供する。

ここで、より具体的には、以上の噴射計測装置は、前記上昇圧力算出手段が算出した圧力の上昇量をΔP、前記振動周波数算出手段が算出した圧力振動の周波数をf、密閉容器の容積をV、密閉容器の球形状の内部空間の直径をD、aを所定の補正係数として、前記噴射測定手段において、液体の噴射量=(ΔP×V) /（a²×ｆ²×4D²）として、前記液体の噴射量を算出するようにしてもよい。

また、たとえば、前記液体は、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、密閉容器の液体が充填される内部空間の形状を球形状とし、液体を密閉容器の内部空間に噴射するノズルと、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を、前記内部空間側の端部が密閉容器の内部空間の球形状の球面に対して凹凸なく位置するように配置しているので、密閉容器の内部空間の球形状の内部には液体以外の異物は存在せず、ノズルから液体を噴射すると、密閉容器の球形状の内部空間の振動モードが球形状の内部空間の内の異物によって乱されない形態で発生し、圧力センサで検出されることとなる。

したがって、振動周波数算出手段で精度よく液体の振動の周波数を算出することができ、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、圧力センサは、任意の位置に配置することができるので、圧力センサの配置が噴射計測装置の設計の自由度を妨げる度合いも比較的小さく抑えられる。

以上のように、本発明によれば、固有振動の周波数を用いて噴射の計測を行う噴射計測装置において、固有振動の周波数をより精度良く算出することができる。

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、測定制御装置７を備えている。

次に、測定制御装置７は、測定シーケンスの制御等を行うシーケンス制御部７１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７２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。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、このように球形状の内部空間１１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７の測定部７２の機能構成を示す。
図示するように、測定制御装置７の測定部７２は、FFT処理部７２１、ピーク周波数算出部７２２、フィルタ７２３、上昇圧力算出部７２４、噴射測定部７２５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）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、内部空間１１の燃料の基本振動の波長は、密閉容器１の球形状の内部空間１１の直径の二倍に等しいことが期待できる。よって、密閉容器１の球形状の内部空間１１の燃料中の音速cは、Dを密閉容器１の球形状の内部空間１１の直径、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 ＝a×ｆ×2D …（４）
但し、aは事前に算出しておいた補正係数である。
そして、式（４）を式（３）に代入すると、式（５）が得られる。
Iq =(ΔP×V) / （a²×ｆ²×4D²）…（５）
したがって、式（５）より、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より算出することができる。

また、式（５）を時間微分することにより、燃料の噴射率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（５）を利用して燃料の噴射量Iqを算出する動作について説明する。
測定制御装置７のシーケンス制御部７１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７の測定部７２は、シーケンス制御部７１の制御下で、密閉容器１内への燃料の噴射の度に以下のように燃料の噴射量Iqを測定する。
すなわち、測定制御装置７の測定部７２のFFT処理部７２１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７２２は、FFT処理部７２１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。

ここで、上述のように本実施形態では、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し、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。したがって、FFT処理部７２１とピーク周波数算出部７２２によって、精度よく燃料の基本振動の周波数fを算出することができる。

さて、フィルタ７２３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７２４はフィルタ７２３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７２５は、ピーク周波数算出部７２２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７２４が算出した圧力上昇ΔPとから、式（５）に従って燃料の噴射量Iqを算出する。なお、噴射測定部７２５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を算出してもよい。

以上、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。
なお、上記式（５）において用いる補正係数aの事前の算出は、たとえば、次のように行う。
すなわち、まず、適切な音速測定法を用いて密閉容器１内の燃料の音速c_dを算出する。そして、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、FFT処理部７２１に燃料の圧力振動の各周波数成分の大きさを算出させると共に、ピーク周波数算出部７２２に燃料の圧力基本振動の周波数f_dを算出させる。そして、
c_d ＝a×ｆ_d×2D
の関係を満たすように補正係数aを算出する。

または、上記式（５）において用いる補正係数aの事前の算出は、次のように行うようにしてもよい。
すなわち、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、測定部７２の、ピーク周波数算出部７２２で燃料の基本振動の周波数f_dの算出を、上昇圧力算出部７２４で燃料の圧力上昇ΔP_dの算出を行う。

次に、リリーフバルブ６を稼働し密閉容器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と共に、排出された燃料の質量N_dを測定する。
そして、式（５）を用いて、
N_d =Iq = (ΔP_d×V) / （a²×ｆ_d ²×4D²）
を満たすように補正係数aを算出する。
以上、本発明の実施形態について説明した。

なお、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同様に適用することができる

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…測定制御装置、１１…内部空間、１２…排出流路、７１…シーケンス制御部、７２…測定部、７２１…FFT処理部、７２２…ピーク周波数算出部、７２３…フィルタ、７２４…上昇圧力算出部、７２５…噴射測定部。

Claims (3)

1. 球形状の内部空間に液体を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、前記内部空間側の端部が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なく配置されたノズルと、
   前記密閉容器の内部空間内の液体の圧力を検出する、前記内部空間側の端部が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なく配置された圧力センサと、
   前記圧力センサで検出した圧力の上昇量を算出する上昇圧力算出手段と、
   前記圧力センサで検出した圧力の振動の周波数成分のうちの、大きさがピークとなる周波数成分の周波数を算出する振動周波数算出手段と、
   前記上昇圧力算出手段が算出した圧力の上昇量と前記振動周波数算出手段が算出した周波数とに基づいて、液体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噴射測定手段とを有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、
   前記上昇圧力算出手段が算出した圧力の上昇量をΔP、前記振動周波数算出手段が算出した周波数をf、密閉容器の容積をV、密閉容器の球形状の内部空間の直径をD、aを所定の補正係数として、前記噴射測定手段は、
   液体の噴射量=(ΔP×V) / （a²×ｆ²×4D²）
   によって、前記液体の噴射量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、
   前記液体は燃料であることを特徴とする噴射計測装置。