JPS6329054A - 流体の流れを監視するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、流体の流れ、特に例えばディーゼル機関或は
ガソリン機関の燃料インジェクタのようなインジェクタ
の作動を監視するための方法および装置に関する。

従来の技術 ディーゼル機関のインジェクタを監視するだめの技術が
知られており、これらは英国特許出願第Ｇ８２．１２２
．２５２Ａ号および同第２．１４６．１１９Ａ号並びに
米国特許第４．５７７、４９６号に開示されているが、
これらの技術では、４０キロヘルツ或は４０キロヘルツ
付近の超音波パルスが検出される。しかしながら、この
技術は実際の条件のもとではあらゆるディーゼルインジ
ェクタについて確実な結果を与えるとは限らないことが
わかってきた。その他の公知技術は管の中の燃料の圧力
波パルスによる燃料管の振動を検出することであり、イ
ンジェクタのニードル弁が当接部すなわちストッパを打
つ際に生ずるノイズを検出することである。これらの方
法は両方共本質的に間接的な方法であり、インジェクタ
からの燃料の放出と殆んど同時に生ずるような現象の発
生を検出するが、燃料自体の緊急事態を検出しない。

発明の概要 本発明によれば、広帯域の超音波トランスデユーサによ
って、流体の乱流による周波数１００キロヘルツ以上の
ノイズを検出することから成る流体の流れを監視するた
めの方法が提供される。流体がインジェクタを乱流をな
して流れると、１００キロヘルツ以下から２メガヘルツ
以上までの広範囲の周波数帯域にわたってノイズが放出
することが、広帯域のトランスデユーサを用いてわかっ
てきた。かくして、本発明は又、１００キロヘルツ乃至
２メガヘルツの範囲の周波数の超音波に感応する広帯域
のトランスデユーサによって、インジェクタを通る流体
の流れを検出することから成るインジェクタの作動を監
視するための方法を提供する。

本発明は又、インジェクタの作動を監視するための装置
であって、１００キロヘルツ乃至２メガヘルツの範囲の
周波数の超音波に感応する広帯域の超音波トランスデユ
ーサと、トランスデユーサをインジェクタに音響接続す
るための手段と、トランスデユーサからの信号に応答し
、インジェクタを通る流体の流れを検出するための手段
とを有する装置を提供する。

乱流によるノイズは周波数の広範囲のスペクトルに及ぶ
ので、１００キロヘルツ乃至２メガヘルツ（又はそれ以
上）のスペクトル全体の波に感応し、或は別の例として
、例えば１００キロヘルツ乃至３００キロヘルツのスペ
クトルの一部だけに感応したりする。ノイズを適当な方
法で確実にサンプリングするようにするために、そして
装置が（ノイズスペクトルが僅かに違う）異なるインジ
ェクタで確実に作動するようにするためには、トランス
デユーサが、感応する平均周波数の少なくとも３分の１
に等しく、好ましくはこれよりも大きい帯域幅にわたっ
て感応することが望ましい。

帯域幅はトランスデユーサ自体の特性であり、或はトラ
ンスデユーサからの信号を供給する信号フィルタによっ
て設定されることが確認されるであろう。エンジンが、
より速く、或はより大きな負荷で作動と、バックグラウ
ンドノイズはより大きな周波数で増大するよりも小さな
周波数で一層増大する傾向があるので、４０キロヘルツ
での信号−ノイズ比は１００キロヘルツ乃至１メガヘル
ツの周波数範囲での信号−ノイズ比よりももっと低下す
ることが期待される。

テストベッドでエンジンの作動を点検する際或は保守作
業中に本発明の装置を用いても良いし、或は作業中のエ
ンジンを連続的に監視するためのエンジン管理システム
に組み込んでも良い。

添付図面を参照して例示として以下に本発明を説明する
。

実施例 第１図を参照すると、ディーゼルインジェクタ１０が示
され、このディーゼルインジェクタの頂端部に隣接して
インジェクタ監視装置１４の広帯域の超音波トランスデ
ユーサ１２が設けられている。トランスデユーサ１２は
ばねフランツ′１６１こよってインジェクタ１０に連結
され、真空グリースによって又インジェクタ１０を電気
的に加熱的に絶縁するガラス継手部分１８によって、イ
ンジェクタ１０に音響的に接続されている。トランスデ
ユーサ１２は約１キロヘルツから数メガヘルツまでの全
周波数範囲にわたって超音波に感応し、相応する電気信
号を出す。電気信号は帯域フィルタ２０１こ通され、こ
のフィルり２０はこれらの１言号を１００キロヘルツ乃
至１メガヘルツの周波数範囲で通す。フィルタ２０から
の信号は、増幅器２２を経て出カニニット２４に通され
る。

インジェクタ１０は、螺旋ばね３２を囲む上部管状部分
３０と、中央穴をもつ案内板３４と、下端部に孔３８を
構成する下部管状部分３６とからなる。これらは、上部
管状部分３０と係合するねじをもったケーシング４０に
よって互いに保持されている。ニードル弁４２が下部管
状部分３６のボア４４の中に位置決めされている。ニー
ドル弁はその下端部が円錐形の弁座４５に当接し、二一
ドル弁４２の細い部分はその上端部が案内板３４を貫通
し、ばね３２によって下方に付勢されたキャップ４６に
当接する。ニードル弁４２に作用するばね３２の力は、
もう１つのキャップ５０を介してばね３２の上端部に作
用するボルト４８によって調節される。ボア４４は、環
状溝５２を除いて、その長さ全体にわたって実質的に一
定の直径ををする。溝５２より上に位置するニードル弁
４２の部分はボア４４に滑り嵌めされ、−刃溝５２より
下に位置する部分は細く、これらの部分はテーバ部分５
４によって接合されている。ダクト５６が、ディーゼル
燃料人口管５８から溝５２までインジェクタ１０を貫通
する。少量の燃料が溝５２からボア４４に沿って上方に
案内板３４の穴を通って上部管状部分３０の中へ漏れ、
戻り管６０を経て逃げ、かくしてニードル弁４２とばね
３２の両方を潤滑する。インジェクタ１０を幾分詳細に
説明してきたが、本発明は異なる設計のインジェクタに
も適用できることが認識されるであろう。

インジェクタ１０の作動中、インジェクタの孔３８によ
って燃料を噴射させるべきときに、インジェクションポ
ンプ（図示せず）により、高圧パルス（８０〜３００気
圧＝８〜３０メガパスカル）を人口管５８の中の燃料に
よって、ダクト５６に沿って溝５２の中へ伝達させる。

テーバ部分５４に作用するこの圧力はニードル弁４２を
上昇させて孔３８を開放するが、ニードル弁４２のこの
移動は、ストップとして作用する案内板３４によって制
限される。すると、燃料は、ニードル弁４２と弁座４５
との間の隙間を通って、さらに孔３８を通って迅速に流
れ、ついには圧力が充分に降下し、ばね３２が弁４２を
再び押し下げて弁座４２を密封する。隙間および孔３８
を通る燃料の流れはレイノルズ数が非常に高く、従って
この流れは乱流であり、超音波振動を発生し、この振動
はインジェクタ１０に超音波として伝播し、噴射した構
成部品のいくらかを機械的な共振にし、トランスデユー
サによって検出される。案内板３４か弁座４５のいずれ
かに及ぼすニードル弁４２の衝撃も、超音波を発生する
。

第２図を参照すると、これは、インジェクタ１０が上述
のように作動して燃料を噴射するとき、出カニニット２
４が受けた超音波信号の振動スペクトルをグラフで示す
。別々のピーク振幅は、フィルタ２０を通過するにもか
かわらず、４０キロヘルツ（Ａマーク）で及び６７−１
−ロヘルツ（Ｂマーク）で検出されることが観察される
。これらは、インジェクタ１０の構成部品の機械的振動
モードに相当するものと考えられる。フィルタ２０がな
ければ、これらのピーク振幅ＡおよびＢは超音波スペク
トルを支配する。最大振幅は１３３キロヘルツ＜Ｃマー
ク）である。はぼ１２０キロヘルツ以上では、別々のピ
ークのない本質的に広帯域のノイズがある。この広帯域
のスペクトルは燃料自体の乱流によって発生したノイズ
の特性であり、（実験として）ニードル弁４２を開放位
置に固定し、衝撃によるノイズがないとしても、同様な
スペクトルが得られる。

さてｉＢａ図および第３ｂ図を参照すると、こちらは、
トランスデユーサ１２によって生じた信号と出カニニッ
ト２４が受けた信号が、夫々時間の関数としてグラフで
示す。これらの信号はエンジンではなくテストＩＪグで
得られ、燃料噴射はエンジンでの燃料噴射よりも長く持
続する。フィルタを通らない第３ａ図の信号は約０．５
　［１１５（周波数２キロヘルツ）の低周波数信号によ
って支配され、この低周波数信号に高周波数信号が重ね
られる。

２つのグラフの比較によってわかるように、この低周波
数信号は、高周波数信号の短時間ｔ　（この場合ｔ＝０
．２３ｍ５）前に始まる。これは、燃料の圧力パルスに
よって引き起こされる機械的な振動を表す低周波数信号
およびニードル弁４２が上げられたときにだけ始まる乱
流によって発生したノイズを表す高周波数信号と一致し
ている。

このテストリグで作動するときのインジェクタ１０の高
速度撮影を２１００駒／秒で作動するカメラで行なった
。これは、光学的に観察されるようにインジェクタから
の流れの始まりおよび終わりと、フィルタを通した高周
波数可聴信号の始まりおよび林わりとの間の良好な相互
関係を示した。

フィルタを通した可聴信号が流量に対する定性的に依存
することも観察された。しかしながら、（増幅器２２を
過負荷にする）フィルタを通した可聴信号の大きな振幅
ビークＰは大きな流量を表゛さないが、実際には、案内
板３４に及ぼすニードル弁４２の衝撃によるのである。

作動中のディーゼルエンジンでは、可聴信号はテストリ
グにおけるよりも一層複雉になる傾向がある。インジェ
クタポンプは典型的には、テストリグで生ずる場合より
も大きな圧力パルスを人口管５８で生じさせ、特に全負
荷では、急速な圧力上昇によりニードル弁がストップす
なわち案内板３４に高速で当たり、流れ信号を支配する
大きな衝撃信号を発生させる。弁４２が弁座４５に当た
るときにも、しばしば−層の衝撃信号を発生させる。両
方の衝撃により、弁４２が小さな振幅ではね上がり一層
の衝撃音が発生するかもしれない。

しかしながら、流れ信号は、ストップからの衝撃信号よ
りも、インジェクタ１０の開放の一層信頼できる指示で
ある。衝撃信号はより大きいけれども、その大きさは圧
力の増加率に依存しエンジンの状態でもっと変化する。

事実、成る状態、例えば軽負荷では、ニードル弁４２は
ストップに当たるほどには移動しないので衝撃信号は発
生しない。

流れの始まりは最初の衝撃信号に先行するので、流れの
始ま゛りを観察することができることはもちろんである
。流れの終わりは、他のノイズによって闇されるので、
観察しにくいことが時々ある。

第４図および第４ａ図を参照すると、第４図は、インジ
ェクタ１０が２リツトル４シリンダ４ストロークのエン
ジンの一部をなすときに、出カニニット２４が受けた信
号を時間の関数としてグラフで示し、第４ａ図はインジ
ェクタ１０に連結されたニードル弁のリフトセンサー（
図示せず）からの信号を示す。この場合、エンジンは全
負荷（８ＯＮ＋ｒ＋）および毎分１５００回転で作動し
ていた。流れ信号はＳの位置で始まり、１．９　ｍｓ後
のほぼＴの位置で終わるようにみえる。各々約０．５１
１Ｉｓの２つの衝撃信号Ｕ、Ｖが２つのグラフの比較か
ら観察されるように、ニードル弁４２がまずストップに
当たり次いで弁座４５に当たるときに発生する。さらに
、ニードル弁４２が１＃撃毎にややはね上がることが、
第４ａ図から観察される。

第５図を参照すると、インジェクタが２リツトルエンジ
ンのＣＡＶインジェクタでありボッシュ（３ｏｓｃｈ）
インジェクタポンプを用いるときに出カニニット２４が
受ける信号がグラフで示されている。この場合のエンジ
ンは高負荷状態にあり毎分１０００回転の低速度で作動
している。この場合、くニードルリフトセンサーによっ
て検知されるように）インジェクタはＳの位置で開放し
て高周波数流れ信号を開始させ、ニードル弁はＶの位置
で弁座に向かって閉じて大きな衝撃ノイズを引き起こす
（この大きな衝撃ノイズは増幅器を過負荷にする。注意
すべきことは、増幅器は第４ａ図のグラフににおけるよ
りももっと信号を増幅するように設定されることである
。）。この場合、ニードル弁はストップに当たらないこ
とはあきらかであるから、初期の衝撃ノイズはない。

第６図を参照すると、エンジンが高負荷状態で毎分４５
００回転で作動しているときに、第５図に関して゛言及
されたインジェクタおよびエンジンについて出カニニッ
ト２４が受けた信号がグラフで示されている。インジェ
クタのニードル弁はニードルリフトセンサーからＵの位
置でストップに当たりＶの位置で弁座に当たり、これら
の各々の場合ややはね上がる。流体の流れは、インジェ
クタが完全に開放するほぼ０．３　ｍｓ前Ｓの位置で始
まることが、グラフからあきらかである。Ｕの位置での
衝撃ノイズはかなり大きいので、増幅器は次の約０．７
５　ｍｓの間は過負荷にされる。

第５図と第６図の両方において、時間は２．５度の角度
のクランクシャフトの回転を表わす。

本発明の方法により、燃料噴射の開始あるいは場合によ
ってはその持続や終了を監視することができることが認
識されるであろう。又、本発明により噴射した燃料の量
を決定することができる。

何故ならば、瞬間の信号の振幅が瞬間の流量に関係する
からである。周波数１００キロヘルツ以上の信号を観察
することにより、燃料の流量自体を検出することができ
、これに対して上記周波数以下では、機械的振動モード
が支配するであろう。

このような高周波数はエンジンを通って伝播するので急
速に弱められ、従って、エンジンの他のシリンダのイン
ジェクタからの信号の繰り越しは殆んどなく或は全くな
い。

出カニニット２４は受けた信号をグラフにプロットする
ような装置であるのが良く、これは、例えば５メガヘル
ツで信号をデジタル化することによって行なわれるのが
良い。変形例として、例えば燃料噴射の開始時間を表わ
すデジタル出力を出すような装置であるのが良い。フィ
ルタを通した信号を直接観察するのではなく、まず整流
し平らにしてノイズの影響を減少させるのが良い。流れ
の開始を見つける場合には、クランクシャフトの回転角
（例えば頂部の死点前の１０度と５度の間）に関係する
か或は所定の時間（例えばｉ撃信号前の０．３　ｍｓと
０．１　ｍｓとの間）までに衝撃信号Ｕに先行する開閉
期間中だけ（信号を観察するのが好ましい。いずれのの
場合にもこの開閉期間は、燃料噴射がそのインジェクタ
で起こるような時間を含むように設定される。本発明に
よる方法を燃料以外の流体のインジェクタを通る流れを
監視するのに用いることができることが理解されるであ
ろう。

実際、高圧、高レイノルズ数の流体の噴射が起こるよう
な任意のインジェクタに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は断面を示し電子回路を概略的に示したディーゼ
ルエンジンのインジェクタを監視するための装置を示す
図、第２図は第１図のインジェクタを通る流体の流れの
結果として発生した、第１図の回路の超音波１号の周波
数スペクトル部分をグラフで示す図、第３ａ図および第
３ｂ図は第１図の回路の２つの異なる個所での信号をグ
ラフで示す図、第４図および第４ａ図は作動するディー
ゼルエンジンにふいてニードル弁を変位させて第１図の
装置によって出される出力信号をグラフで示す図、第５
図および第６図は異なる作動条件下で作動するディーゼ
ルエンジンにおける第１図の装置によって出される出力
信号をグラフで示す図である。 １０・インジェクタ、 １２−　トランスデユーサ、 １４−インジェクタ監視装置、 ２０　フィルタ、 ２４　出カニニット。 図面の浄書（内容１ζ； 更更なし）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．インジェクタの作動を監視するための方法であって
   、超音波トランスデューサ（１２）によって、インジェ
   クタを通る流体の乱流によるノイズを検出することから
   成る方法において、トランスデューサ（１２）は広帯域
   であり、 １００キロヘルツ以上の周波数に対して感応することを
   特徴とする方法。
2. ２．インジェクタの作動を監視するための装置であって
   、超音波トランスデューサと、トランスデューサをイン
   ジェクタに音響接続するための手段と、トランスデュー
   サからの信号に応答し、インジェクタを通る流体の流れ
   を検出するための手段を有する装置において、トランス
   デューサ（１２）は広帯域であり、１００キロヘルツ乃
   至２メガヘルツの範囲の周波数の超音波に感応すること
   を特徴とする装置。