JP4975033B2 - 圧力測定のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスの圧力を測定する装置に関する。本発明による装置は、例えば、内燃エンジンのシリンダ内部のガス圧を測定するのに適している。本発明は、特に、大きなディーゼルエンジン内のガス圧を測定するのに適している。そのようなエンジンは、例えば、船舶用エンジン並びに発電機及びガスコンプレッサを駆動させるための固定のエンジンとして使用される。

低い燃料消費量への要求がますます強まり、排ガスの化学組成物に関する環境的な要求も大きくなる中で、内燃エンジンの運転を監視する必要が増している。失火は、排ガスの化学組成物に影響を及ぼし、さらには内燃エンジンの耐用年数に悪影響を与え得る。連続的な測定によって、失火を検出し、適正な機能を確実に回復させるための措置を取ることができる。

内燃エンジン内の圧力を測定する装置は、数百バールの高圧並びに１０００℃及びそれを超える温度を含む極めて厳しい環境に置かれる。内燃エンジンの毎作動サイクル中の圧力を判定するための連続的な測定では、高速プロセスに対する圧力センサの動的応答への要求は極めて大きい。

従来技術では、ガスによって可撓性の膜上に加わった力を測定する力センサを用いた、内燃エンジンのシリンダ内のガス圧を測定する装置が公知である。このような装置は、例えば、米国特許第４４０８４９６号明細書に記載されている。この文献には、管状のチャネルを有する装置が示されており、このチャネルの一方の端部はシリンダに結合され且つそれに対して開いており、もう一方の端部は閉じられている。管状のチャネルの閉じられた端部は可撓性の膜を備えており、この膜に対してシリンダのガス圧が作用するようになっている。ガス圧は、その膜から、力伝達手段を介して力測定ユニットへと伝達される。力伝達手段は、膜に作用を及ぼすガス圧からの力が、力測定ユニット内で張力に変換されるように形成されている。

内燃エンジンにおけるガス圧の測定に関する問題は、シリンダ内での圧縮及び燃料の燃焼の際の短いパルスに起因する大きな温度変化が誤差の原因となることである。ガス圧による力を測定する圧力センサが、温度変化による力も測定すると、その測定には誤差が含まれることとなる。

この問題に対する解決策は、国際公開第９９／５８９４５号パンフレットに開示されている。この文献には、内燃エンジンのシリンダ内のガス圧を測定するための圧力センサが示されており、この圧力センサは、シリンダに結合された区分、測定区分及び端部が閉じられている最終区分からなる管を備えている。測定区分は、２つの平行な測定面を形成するウエスト部によって互いに結合している２つの円形部分からなる砂時計形状の断面を有する。管は、外部において測定面の両側で２つの中実のビームと接触しており、このビームは、空洞内の圧力を力測定手段に伝達する。この管は、管の閉じられた端部にかかる圧力を使用する代わりに管の壁部での運動を圧力の判定のために使用できるように形成されている。管の壁部は脆弱にできる、つまり、壁部は管の端部の膜より薄くすることができる。これは、温度上昇に起因する測定中の付加的な力が減少することを意味する。この圧力センサは、２サイクルディーゼルエンジン及び低速の４サイクルディーゼルエンジンにおいて有用である。

しかし、ディーゼルエンジンの開発は、高速４サイクルディーゼルエンジンのような高圧及び高回転数のエンジンをもたらした。センサを通る測定ガスからのエネルギーの流れは、高温及び大きな応力を生じさせる。よって、このようなエンジンにおいては、熱の問題が大きくなっている。

本発明の目的及び概要
本発明の目的は、ガス中の圧力を測定するための改良された装置であって、さらに、測定中の大きな温度変化によって生じる上述の問題を軽減する装置を提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１で特定された装置によって達成される。このような装置は、枠構造と、枠構造を通って延びるチャネルであって、軸方向に、ガスを受容するための開口部を有する導入区分、壁部を有する測定区分及び測定中は端部が閉じられている最終区分を備えているチャネルと、前記測定区分の壁部に作用する半径方向の力を測定する測定ユニットであって、前記測定区分の壁部の第１の部分と機械的に接触している測定体と、前記測定区分の壁部の第２の部分及び前記枠構造と熱的に接触しており、前記測定区分の壁部から前記枠構造へと熱を伝達させる冷却体とを備える測定ユニットとを備えている。「熱的に接触」という語は、互いに熱的に接触している部材が、互いに直接的に接触しているか又はそれらの部材の間に熱伝導性材料が設けられていることを指す。

測定区分の壁部からの熱は、冷却体を介して枠構造へと伝達される。これによって、ガスに曝されている表面からの熱の流れが増大し、測定区分におけるより均一な熱分散が得られる。温度変化を抑えることによって、測定区分での壁部の熱膨張が低減する。これにより、温度の変化による測定誤差が低減する。現存の圧力測定装置と比較した場合の別の利点は、壁部の堅さを増大させることなく、測定区分の壁部を冷却できることである。壁部の温度がより良好に制御されるので、測定装置の堅固さを増大させることができる。本発明により、装置内でのストレスを増大させることなく、測定装置の堅固さ及び熱流を増大させることができる。

冷却体及び測定体が互いに接触している場合、冷却体が測定を妨げる危険がある。よって、冷却体が測定に影響を与えることを回避するために、冷却体は、少なくとも測定区分において、測定体から離れていることが望ましい。したがって、前記第２の部分は、前記第１の部分から距離を置いて配置されていることが望ましい。

本発明の一実施形態によれば、測定体は、枠構造と熱的に接触している。これにより、測定体も、冷却体と同じ機能を有し、表面からの熱流がさらに増大し、よって、測定区分の壁部の冷却がさらに改善される。

本発明の一実施形態によれば、測定ユニットは、測定区分の壁部の第３の部分と機械的に接触している第２の測定体を有し、第１及び第３の部分は、チャネルの中央を通って延びる長手方向軸線の基本的に両側に配置されている。対称的に配置された２つの測定体によって、対称の２つの測定を得ること及び測定信号を加算することが可能となり、これにより、信号レベルが上昇し、ノイズレベルが低下する。

本発明の一実施形態によれば、冷却体は、測定区分の第４の部分と熱的に接触しており、測定区分の第２及び第４の部分は、基本的にチャネルの中央を通って延びる長手方向軸線の両側に配置されている。これによって、測定区分の壁部の冷却は、さらに改善される。

本発明の一実施形態によれば、上記２つの測定体及び２つの冷却体は、第１及び第３の部分を通る線が第２及び第４の部分を通る線に対して基本的に垂直となるように配置されている。これにより、測定区分の壁部の均一な冷却が達成される。これら測定体及び冷却体のこの配置によって得られる別の利点は、冷却体が測定体を妨害することが防止されることである。

本発明の一実施形態によれば、測定区分は、互いに向き合う両側に配置されている内方屈曲部分の第１の対と、互いに向き合う両側に配置されている内方屈曲部分の第２の対とを有する犬の骨のような形状をした断面を有する。内方屈曲部分の第１の対は、第１及び第３の部分を含み、第２の対は、第２及び第４の部分を含む。この形状は有利であり、それというのは、この形状により、チャネルの壁部をより脆弱にするチャネルの自由長、つまり直径が増大する、すなわち、壁部を保持するために必要な力がより小さくなり、これにより、壁部の熱膨張による障害が小さくなり、よって、測定での誤差が少なくなるからである。

本発明の一実施形態によれば、測定体は、第１の内方屈曲部分に対応する突出部分を備えており、この測定体の突出部分と測定区分の第１の内方屈曲部分とが、互いに機械的に接触している。冷却体は、第２の内方屈曲部分に対応する突出部分を備えており、この冷却体の突出部分と測定区分の第２の内方屈曲部分とは、互いに熱的に接触している。

本発明の一実施形態によれば、測定ユニットは、測定体の力を測定するようになっているセンサを備えている。測定される力の例は、剪断力、引張り力又は圧縮力である。例えば、センサは、磁気弾性センサ、圧電センサ又は歪みゲージである。

本発明の一実施形態によれば、センサは、測定体における横方向の剪断力を測定するようになっている。この実施形態では、測定を妨げることなく、測定体の軸線方向の運動が可能である。

本発明の一実施形態によれば、エンジンはエンジンブロックを備えており、枠構造は、このエンジンブロックに熱的に接触して取り付けられるように配置されている。冷却体及び測定体からの熱は、枠構造を介してエンジンブロックへと導かれる。エンジンブロックは、従来では、冷却システムを有しており、よって、そこに伝達される熱に対処するのに適している。よって、測定区分の冷却が更に改善される。

本発明の一実施形態によれば、装置は、測定体、冷却体及び測定区分を受容するための開口部を含むカバー部材を備えており、このカバー部材は、冷却体及び枠構造と熱的に接触するようになっている中実の冷却ビーム（円筒体）を含む。このカバー部材からの熱は、冷却ビームを介して枠構造へと導かれる。これにより、測定装置の冷却がさらに改善される。

本発明は、ディーゼルエンジンでのガス圧を測定するために特に適している。本発明による測定装置によって、２サイクルディーゼルエンジン及び高速４サイクルディーゼルエンジンでの測定が可能となる。

本明細書で使用される場合、備える／備えているという語は、記載された特徴又は構成要素の存在を特定するために用いられる。しかし、この語は、１つ以上の追加的な特徴、整数、ステップ若しくは構成要素又はそのグループの存在又は追加を除外しない。

ここで本発明を、本発明の一実施形態の記述及び添付された図を参照することにより、より詳しく説明する。

図１〜３に、本発明の一実施形態によるガス中の圧力を測定する装置を示す。この装置は、測定すべきガス圧を有する内燃エンジンのシリンダに接続される底部分１と、長手方向に延びる管２であって、この管の壁部の運動を管内の圧力を判定するために使用できる管２と、前記装置のカバーとして機能する上部分３とを含む。図２に、管２と底部分１とが組み立てられた状態を示す。底部分１は、底部分１を通って延びる開口部５を備えている。この開口部５の一方の端部は、管２を受容するようになっており、開口部５のもう一方の端部は、エンジンのシリンダに接続されるようになっている。上部分３も、上部分を通って延びる開口部７（図５に示す）を備えている。この開口部の一方の端部は、管２を受容するようになっており、開口部のもう一方の端部は、バルブに接続されるようになっている。測定中は、バルブは閉じていなくてはならない。

図４に、組み立てられた装置を示す。この図４に示すように、底部分１の開口部５と、管２と、上部分３を通って延びる開口部７とが、装置を通って延びるチャネル８を形成している。上部分３及び底部分１は、例えば、はんだにより結合されている。チャネル８は、軸線方向に、シリンダからのガスを受容するためのインレットを含む導入区分Ａと、ガス圧の測定が行われる測定区分Ｂと、測定中、端部が閉じられている最終区分Ｃとを備えている。管２はチャネルと同じ長さである必要がないことに留意されたい。この実施形態では、管２は、チャネルの長さよりもわずかに短くなっており、これにより、アッセンブリの組立ては容易となる。管の両端部は、底部分及び上部分の壁部にはんだ付けされている。

図４に示すように、管２は、枠構造１０を通って延びている。装置の取付けを簡単にするために、枠構造１０は、第１及び第２の枠構造部分１０ａ、１０ｂに分割できる。好ましくは、枠構造１０は管２の全長に沿って延びている。枠構造の第１及び第２の部分は、互いに熱的に接触している。好ましくは、枠構造部分１０ａ及び１０ｂは、はんだにより結合されている。枠構造は、熱伝導性材料、例えば鋼からなっている。枠構造１０ａ及び１０ｂの材料の重要な特性は、熱の良導体であるということである。

底部分１は、円筒形に形成された枠構造部分１０ａを含む。底部分１は、管の測定区分Ｂの壁部に作用する半径方向の力を測定するための２つの測定ユニット１１、１２をさらに含む。この測定ユニット１１、１２はそれぞれ、測定区分Ｂの壁部の外側面と機械的に接触している測定体１３、１４と、測定体における剪断力を測定するようになっているセンサ１５、１６とを備えている。センサは、例えば磁気弾性センサである。この実施形態で使用されるセンサの原理は、例えば、スウェーデン国特許第１５１２６７号明細書に記載されている。しかし、本発明の別の実施形態では、他の種類の力センサ、例えば、歪みゲージセンサ又は圧電センサを使用することもできる。

底部分１は、管２の壁部から枠構造部分１０ａ及び１０ｂへと熱を伝達するようになっている冷却体１８をさらに備えている。冷却体も、熱の良導体である材料、例えば鋼からできているのが望ましい。冷却体は、測定区分及び枠構造部分１０ａ及び１０ｂと熱的に接触して取り付けられているのが望ましく、これにより、管の測定区分の壁部から枠構造１０ａ及び１０ｂへ熱が伝達される。この実施形態では、図４に示すように、冷却体１８は、測定区分並びに枠構造部分１０ａ及び１０ｂと機械的に接触して取り付けられている。

図３に、図２の、部分的に組み立てられた装置を上から見た図を示す。図３を見ると分かるように、管２は、互いに向き合う両側に位置する内方屈曲部分２３、２４の第１の対と、互いに向き合う両側に位置する内方屈曲部分２８、２９の第２の対を有する犬の骨の形状の断面を有している。測定体の突出部分２０、２１は、壁部の内方屈曲部分２３、２４と機械的に接触している。冷却体の突出部分２６、２７は、壁部の内方屈曲部分２８、２９と熱的に接触している。

第１の測定体１３は、測定区分の壁部の部分２３と機械的に接触している突出部分２０を備えている。第２の測定体１４は、測定区分の壁部の部分２４と機械的に接触している突出部分２１を備えている。これらの測定区分の壁部の部分２０、２１は、チャネル８の基本的に互いに向き合う両側に位置している。測定体１３、１４は、枠構造１０ａ及び１０ｂと熱的に且つ機械的に接触している。よって、熱は、壁部の部分２０、２１から枠構造へと伝達され、これによって、測定体は、測定区分の壁部を冷却する機能も有する。測定体１３、１４は、好ましくは、熱伝導材料、例えば鋼のような金属からできている。

冷却体１８は、測定区分の壁部の部分２８と熱的に接触している第１の突出部分２６を備えている。冷却体１８は、測定区分の壁部の部分２９と熱的に接触している第２の突出部分２７をさらに備えている。測定区分の壁部の部分２８、２９は、チャネル８の基本的に向き合う両側に位置している。測定体１３、１４は、壁部の部分２３、２４を通る線が、壁部の部分２８、２９を通る線に対して基本的に垂直になるように構成されている。

この実施形態では、冷却体１８は、管２を受容するための貫通穴を備えている中実の金属の部品である。しかし、本発明の別の実施形態では、冷却体は、２つの部分、つまり、第１の突出部分２６を備えている第１の部分と、第２の突出部分２７を備えている第２の部分とを有していてよい。冷却体１８は、測定区分の壁部から枠構造１０ａ及び１０ｂへと熱を伝達する。図２に示すように、冷却体１８には、上方部分３２が設けられており、この上方部分３２は、冷却体の各側に設けられている２つのスリット３４ａ及び３４ｂがあるために、冷却体の下方部分３３よりも脆弱に形成されている。各スリット３４ａ及び３４ｂは、冷却体の一部を通って延びている。より脆弱な上方の部分３２は、急速な温度変化によって生じる冷却体における材料中の応力に対処するためのものである。

この実施形態では、冷却体１８は、管２の周りを囲むように形成されている。測定を妨げることのないように、冷却体及び測定体は、好ましくは、測定区分の付近では互いに接触できないようになっている。よって、管の方向に延びる細長いスロット３５、３６（図２に示す）が、冷却体１８と測定体１３、１４との間に設けられている。

測定区分のプロファイル（形状）は、４つの正の半径（部分円）及び４つの負の半径で表すこともできる。負の半径により脆弱さがもたらされるが、これは、測定体によって支持されている。負の半径を有する部分のうち２つは、力測定のために使用される。他の２つは、枠構造に熱的に接触し、冷却のために使用される。２つの冷却体は対称面に配置されているため、測定を妨害することはない。

管２の壁部は、やや脆弱に形成されており、これにより、壁部での圧力の測定が可能となる。管２は、好ましくは金属、例えば鋼からできている。壁部の厚みは好ましくは、例えば、０．１〜０．８ｍｍの範囲で１ｍｍ未満であり、これにより圧力測定を可能にするのに十分な壁部の脆弱性が得られる。よって、測定区分の壁部は脆弱であり、測定体は堅固になっている。測定区分の内側の圧力は、測定体１３、１４によって力を測定することによって測定される。この実施形態では、測定体において剪断力を測定する。図２では、矢印が、測定体１３、１４における剪断力を示す。測定体１３、１４のそれぞれには、図２に示すように、スリット２５ａ及び２５ｂが設けられている。スリット２５ａ及び２５ｂは、測定体における軸線方向の応力及び運動を可能にし、よって、測定体中の応力を低減することができる。測定ユニット１１、１２は、管の測定区分Ｂに対して、対称に配置されている。センサ１５、１６からの出力信号は加算され、これにより、より強い信号が生成され、信号中のノイズは減少する。

図５に、第２の枠構造部分１０ｂを含む装置の上部分３を示す。枠構造部分１０ｂの一方の端部は、測定中にチャネル８の上端部を閉じるためのバルブを受容するように設計されているねじ穴３８を備えている。枠構造部分１０ｂは、円筒形状を有している。枠構造部分１０ｂのもう一方の端部には、測定体１３、１４、冷却体１８及び管２を受容するように設計されている空洞４０が設けられている。枠構造部分１０ｂのこの端部は、第１の枠構造部分１０ａに結合するように、またそれと熱的に且つ機械的に接触するようになっている。第２の枠構造部分１０ｂには、空洞４０の互いに向き合う両側に位置する２つの中実の冷却ビーム４２も設けられている（図５では、１つのみ示す）。冷却ビーム４２は、冷却体１８及び第１の枠構造部分１０ａと機械的に且つ熱的に接触するようになっており、これにより、冷却体から第１の枠構造部分へと熱が伝達される。上部分３及び底部分１が組み立てられた状態では、冷却ビームは、第１の枠構造部分１０ａ上で支持されている。

この実施形態では、底部分１は一体的に形成され、上部分も一体的に形成されている。上部分３には、複数の開口部４４が設けられており、これらの開口部は、装置を組み立てる際に、はんだ付けを簡単にするために使用される。

図６に、内燃エンジン内に取り付けられた上述の装置を示す。この装置のチャネル８は、エンジンのシリンダ４６に接続されている。このシリンダ４６に接続されているチャネル８の端部は開いており、これにより、シリンダからのガスをチャネル内に流入させることができる。装置の第１の枠構造部分１０ａは、エンジンブロック４８に熱的に且つ機械的に接触して取り付けられており、これにより、熱が枠構造１０からエンジンへと伝達されるようになっている。装置のもう一方の端部には、バルブ５０が設けられている。

本発明は、ここに開示した実施形態に限定されることなく、添付の特許請求の範囲内で変更及び変形させることができる。例えば、測定区分の断面は、必ずしも犬の骨の形状を有していなくともよく、例えば、図７ａに示すように、測定のために使用される互いに向き合って配置されている２つの内方屈曲部分５０、５１を有する、砂時計の形状を有する測定区分を使用することもできる。また、冷却体は、基本的にいずれも平面である他の２つの向き合う面に配置されている。別の手段は、図７ｂに示すように、測定区分が基本的に長方形となっているものである。

本発明の一実施形態によるガスの圧力を測定する装置の分解図を示す。 部分的に組み立てられた時の図１に示す装置の前立面図を示す。 部分的に組み立てられた図２の装置を上から見た図を示す。 組み立てられた時の図１の装置を示す、一部を断面とした図を示す。 図１〜４に示す装置の上部分の断面図を示す。 エンジンに取り付けられた、図１〜５に示す装置を示す。 測定区分の一実施形態の断面図を示す。 測定区分の別の一実施形態の断面図を示す。

Claims (17)

1. ガスの圧力を測定する装置であって、
   枠構造（１０）と、
   前記枠構造を通って延びる細長いチャネル（８）であって、当該チャネルの一端は、前記ガスを受容するためのインレットを有し、他端は測定中に閉じられるチャネルと、
   当該チャネルの少なくとも一部を通って延びる管（２）であって、測定区分を有する壁部を備える管と、
   当該管の壁部の第１の部分（２３）と機械的に接触している測定体（１３）を備える測定ユニット（１１）と、
   前記管の壁部の第２の部分（２８）と熱的に接触し、前記枠構造と熱的に接触している冷却体（１８）とを備え、
   前記測定ユニットは、前記管の内部に導入されたガスにより前記管の前記測定部分の前記壁部に作用する力を測定する、
   装置。
2. 前記測定体（１３）が、前記枠構造（１０）と熱的に接触している、請求項１に記載の装置。
3. 前記測定ユニット（１１）が、前記管の壁部の第３の部分（２４）と機械的に接触している第２の測定体（１４）を備えており、前記第１の部分（２３）及び該第３の部分（２４）が、前記管（２）の中央を通って延びる長手方向の軸線の両側に配置されている、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記冷却体（１８）が、前記管の壁部の第４の部分（２９）と熱的に接触しており、前記壁部の前記第２の部分（２８）及び該第４の部分（２９）が、前記管（２）の中央を通って延びる長手方向の軸線の両側に配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記測定体（１３、１４）及び冷却体（１８）が、前記第１及び第３の部分（２３、２４）を通る線が前記第２及び第４の部分（２８、２９）を通る線に対して垂直となるように配置されている、請求項３又は４に記載の装置。
6. 前記測定区分の前記管の断面形状は、長辺と短辺を有し、
   前記長辺（または前記短辺）は、内方屈曲部分の第１の対（２３、２４）を有し、
   前記短辺（または前記長辺）は、内方屈曲部分の第２の対（２８、２９）を有する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記内方屈曲部分の第１の対（２３、２４）が、前記第１及び第３の部分を含み、前記内方屈曲部分の第２の対（２８、２９）が、前記第２及び第４の部分を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の測定体（１３）が、前記第１の部分（２３）に対応する突出部分（２０）を備えており、前記第２の測定体（１４）が、前記第３の部分（２４）に対応する突出部分（２１）を備えており、前記測定体のこれらの突出部分が、前記測定区分の内方屈曲部分の第１の対と機械的に接触している、請求項７に記載の装置。
9. 前記冷却体（１８）が、前記第２及び第４の部分（２８、２９）に対応する第１及び第２の突出部分（２６、２７）を備えており、前記冷却体のこれらの突出部分と前記測定区分の内方屈曲部分の第２の対とが、互いに熱的に接触している、請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記測定ユニット（１１、１２）が、前記測定体（１３、１４）における力を測定するようになっているセンサ（１５、１６）を備えている、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の装置。
11. 前記センサが、磁気弾性センサである、請求項１０に記載の装置。
12. 前記センサが、圧電センサである、請求項１０に記載の装置。
13. 前記センサが、歪みゲージである、請求項１０に記載の装置。
14. 内燃エンジンのシリンダ（４６）内の前記ガス圧を測定する、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記エンジンが、エンジンブロック（４８）を備えており、前記枠構造（１０）が、前記エンジンブロックと熱的に接触して取り付けられる、請求項１４に記載の装置。
16. 前記装置が、前記枠構造（１０）、前記測定ユニット（１１、１２）、前記冷却体（１８）及び前記チャネル（８）の導入区分（Ａ）を含む底部分（１）と、前記チャネルの前記最終区分（Ｃ）及び測定体、冷却体及び測定区分（Ｂ）を受容するための空洞（４０）とを含む上部分（３）とを含み、前記底部分及び上部分が互いに嵌合する、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 前記上部分（３）が、前記上部分及び前記底部分が組み立てられた時に、前記冷却体（１８）及び枠構造（１０）と熱的に接触する冷却ビーム（４２）を備えている、請求項１６に記載の装置。

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