(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン往復動型エンジン（１）の燃焼室内の圧力を測定するための装置において、
ピストン（１２）によって駆動されるエンジン（１）の構成部品上において、ピストン（１２）により生じるとともにピストン（１２）の移動方向に沿ってエンジンの構成部品（１４）に作用する圧縮力及び膨張力の少なくともいづれか一方の力を測定し、測定された前記力に基づき燃焼室（１０）内における圧力の値を決定する手段を備え、前記力に対応する電気信号を出力する装置であって、
前記力の測定が実行されるエンジンの構成部品（１４）の加速度の測定手段（３２）を備え、加速度に対応する電気信号を形成し、
加速度信号を圧力の値を決定する手段（３４、３８）に供給して、エンジンの構成部品（１４）の体積力及び慣性力を決定し、
前記手段（３４、３８）は、前記体積力及び慣性力を用いて、測定された前記力に基づく前記燃焼室（１０）内の圧力の決定を行うことによって特徴づけられる装置。
【請求項２】
ピストンによって駆動されるエンジン（１）の構成部品がピストン連接ロッド（１４）またはピストン（１２）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
圧縮力及び膨張力の少なくともいづれか一方の力を測定する手段（３１，３００）からの出力信号が燃焼室（１０）内の圧力に標準化されることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
加速度の測定手段（３２）及び力の測定手段（３１）が、エンジン（１）の同一構成部品（１４）上に、互いに隣接して配置されるか、または単一センサ構成部品（３１，３２）内に統合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
測定された前記力及び加速度のうちの少なくともいづれか一方の数値を示す信号をエンジン・ハウジングの基部または外部に配置された信号評価手段（３３ｃ，３３ｂ，３３ａ，３４〜３８）へ送信する手段（３０ａ，３０ｂ）を有することを特徴とする請求項１乃至４のいづれか１項に記載の装置。
【請求項６】
測定値の信号をセンサ（３１，３２）からデータ処理部材（３４〜３８）に伝達するための導体（３３ａ）を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
導体（３３ａ）が連接レバー（１８）に沿って案内されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
測定値の信号を無線送信するための送信器（３０ａ，３０ｂ）及び受信器（３３ｃ，３３ａ）を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記力の測定及び加速度の測定手段が圧電センサ（３１，３２）であることを特徴とする請求項１乃至８のいづれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
着火点におけるシリンダの図示平均有効圧力及びピストンの力の推移のうちの少なくともいづれか一方を決定するための手段（３４，３５，３６，３８）を有する請求項１乃至９のいづれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいづれか１項に記載の装置を有するディーゼル・エンジン、特に低速２ストローク・ディーゼル・エンジン（１）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はピストン往復動型エンジンの燃焼室内の圧力を測定するための装置及びその装置を有するディーゼル・エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン往復動型エンジン、特に多気筒大容量ディーゼル・エンジンでは、各シリンダの出力を可能な限り均一に維持するか、または少なくとも狭い範囲内に限定することが望ましい。さらに、可能な限りの高出力を得るために、出力限界のマージンを狭くする必要がある。
【０００３】
大容量ディーゼル・エンジンの場合、インジケータ・コックを介して燃焼室との直接連結が可能なインジケータ・ボアをシリンダ・ヘッド内に配置することが知られている。インジケータ・ボア内に圧力センサを配置して燃焼室内の圧力推移を直接測定することができる。
【０００４】
しかし、燃焼室内の環境条件は、圧力及びシリンダ出力の継続的にして正確な測定を常に許容するものとは限らない。センサは損傷を伴うことなく高温、高圧及び変化する負荷に長時間耐える必要がある。さらに、燃焼ガスは化学的に非常に破壊的であり、インジケータ・ボア及びセンサをコークス化する大きな危険性を有する。従って、前記の解決策は短時間での使用には適するが、長時間の使用に適するものではない。この結果、測定は周期的計測のためにインジケータ・ボアのコックを開ける僅かな時間に、センサを使用して行う一時的な計測に限定される。
【０００５】
エンジンの各シリンダの過負荷を回避するためには、最大許容出力に対し、比較的大きな出力マージンを維持することが必要とされる。比較的大きな出力マージンを設定することにより、各シリンダは最大許容出力を上回ることがなくなる。
【０００６】
エンジンのシリンダ・ヘッドに配置された荷重計を使用して間接的に、シリンダ・ヘッドの変形量を計測し、これに基づいて燃焼室内の圧縮力を確定することが知られている。これらの計測用アレンジメントは対比測定値を用いて比較的頻繁に再検定する必要がある。そして測定された圧力推移は常に外乱に基づく誤差が障害になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ピストン往復動型エンジンのシリンダ圧力の継続的監視を許容する圧力測定装置により、出力限界マージンを減少させて更に高い出力の提供が可能な高性能ディーゼル・エンジンを提供するとともに、ピストンの焼き付き等を早期に発見してシリンダへの致命的な損傷を防止し、エンジン寿命のより長いディーゼル・エンジンを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の装置はピストンによって駆動されるとともに、ピストンの移動方向に沿って移動可能なエンジンの構成部品上における圧縮力及び吸引力の少なくともいづれか一方を測定する圧力センサ及び加速度センサを、前記エンジンの構成部品上に有する。更に本発明に基づく装置は、エンジンの構成部品上で測定された圧力及び加速度に基づき、燃焼室内の圧力、上死点及び下死点を確定するとともに、これに従って適切な燃料噴射制御を実施するための信号評価手段を有する。
【０００９】
【作用】
上記の構成によれば、高温及び高圧による測定機器の損傷、並びに燃焼ガスによる測定機器のコークス化等を含む燃焼室内の環境条件がもたらす影響を受けることなく、シリンダ圧力の継続的監視が可能であるとともに、加速度の測定から各シリンダの上死点及び下死点を正確に確定することができる。
【００１０】
【実施例】
センサを設置する場所として、各種環境条件を鑑みるに、クランク室内またはピストンの下側に位置する掃気用スペースは燃焼室内より好ましいものである。これにより、比較的簡単な手段で燃焼室内の圧力の継続的監視が可能になる。大容量ディーゼル・エンジン内では、ピストンはピストン連接ロッドを介してクランクシャフトを駆動する。ピストンは実質的にシリンダの軸方向に沿って移動し、クロスヘッドを駆動する。そして、クロスヘッドは同クロスヘッド及びクランクシャフトの間に配置されたスラスト・ロッドを介してクランクシャフトを駆動する。
【００１１】
圧力センサはピストン及びピストン連接ロッドの間、またはピストン連接ロッドのクロスヘッド側端部に有利に取り付けられている。多気筒エンジンのシリンダ間に発生する圧縮差を補正するために、大容量ディーゼル・エンジンのスペーサ・ディスクをピストン連接ロッドのクロスヘッドの端部に組み付けることができる。センサとして形成された距離エレメントはスペーサ・ディスクの部分に配置することが可能である。
【００１２】
ディーゼル・エンジンの別の問題は上死点及び下死点、即ちピストンの上端及び下端の折り返し点の測定に関する。クランクシャフト上に取り付けられたフライホイールでの測定値は、その後の評価段階にとって不適切な角度誤差による障害を受ける。この角度誤差は数度、一般的には３度に達する。
【００１３】
ピストン連接ロッドに圧電加速度センサ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅｒ  Ｂｅｓｃｈｌｅｕｎｉｇｕｎｇｓｓｅｎｓｏｒ）等の加速度センサを取り付けた場合、上死点及び下死点の非常に正確な測定が可能となる。加速度センサは圧力センサに極めて近い位置に有利に配置されるか、または１つの構成ユニット内に圧力センサと共に配置される。圧力センサ上に加わる体積力及びエンジン部品の慣性力は実際の圧縮力から独立して測定することが可能なため、これは燃焼室内の圧力の計算をリアルタイムで行うことを許容する。各シリンダ内の着火点での図示平均有効圧力（Ｍｅａｎ  Ｉｎｄｉｃａｔｅｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を更に正確に測定し、そして最大許容圧力に更に近い値で各シリンダ圧力を調整するため等に使用される調整手段および調整能力を備えることが可能である。これにより、各シリンダの効率を最適化し、それによってエンジン全体の運転効率を最適化することが可能となる。
【００１４】
部分負荷領域におけるベアリングの潤滑化は重要な意味を有する。特定の潤滑度における過負荷が原因となり、ベアリングの損傷が生じ得るため、エンジンは常にセーフティ・マージンを伴って運転される必要がある。ベアリングの損傷に対する安全性を高めるとともに、シリンダ圧力の継続的な監視により、出力限界マージンを、更に狭い範囲で特定することが可能である。出力限界マージンの減少により更に高い出力の提供が可能となり、より高性能なディーゼル・エンジンが提供できる。
【００１５】
ピストンの力をリアルタイムで監視することにより、圧縮曲線にその徴候を示す一般的な脈動から、ピストンの焼き付きを示す初期徴候を早期に確認することが可能である。これによりシリンダに致命的な損傷が発生する前に、シリンダの出力を抑えるか、または潤滑剤の供給量を増加するなどの必要な対策を実施することが可能となり、寿命のより長いディーゼル・エンジンを提供することができる。
【００１６】
ピストン往復動型エンジンの燃焼室内の圧力を測定する装置は、エンジンのピストンにより駆動される構成部品に取り付けられた圧縮力及び／または膨張力を測定するセンサを有する。
【００１７】
ピストンによって駆動されるエンジンの構成部品上にピストンの移動方向に沿って作用する圧縮力を測定することにより、燃焼室内の圧縮力を推測することができる。測定値の電気信号は燃焼室内における圧力を計算するために使用される。圧力または圧縮力の測定が行われるエンジンの構成部品の加速を有利に計測することができる。この結果、シリンダ圧力の決定に慣性力及び体積力を用いることが可能である。これはクランクシャフトの全ての回転角度領域における簡単で、しかも信頼性の高いシリンダ圧力の測定を許容する。各シリンダの上死点（ＴＤＣ）及び下死点（ＢＤＣ）を、加速信号に基づいて非常に正確に測定することが可能である。これは、その後の信号評価に重大な意味を有する。
【００１８】
本発明に基づく装置は５０〜２００回転／分の回転速度で運転される大容量低速ディーゼル・エンジンに使用することが最適である。センサを用いて各シリンダを監視することは多気筒エンジンにとって有利である。センサからの信号は共通のデータ処理ユニットへ送信される。各シリンダに対し、データ処理ユニットに連なるそれぞれ独立した送信線を配線することが望ましいが、数個のシリンダからの測定信号を部分的に共通の伝送路を介して送信することも可能である。
【００１９】
本発明に基づく装置の概略を示す図とともに本発明を以下に詳述する。
図１，２，３は、ピストン１２が案内されるシリンダ１１を有する大容量ディーゼル・エンジン１を示す。燃料は噴射ノズル１３により燃焼室１０内に噴射される。ピストン１２はピストン連接ロッド１４、クロスヘッド１５及びスラスト・ロッド１６を介してエンジン１のクランクシャフト１７を駆動する。スラスト・ロッド１６は連接棒とも呼ばれる。
【００２０】
ピストン連接ロッド１４に作用する圧力及び加速度は圧力センサ３１，加速度センサ３２によってそれぞれ計測される。これらのセンサ３１，３２は、図1 に示すディーゼル・エンジンのピストン連接ロッド１４のクロスヘッド側端部に取り付けられている。図１に示すように、信号は信号線３３ａを介してデータ処理ユニット３４へ送られる前に、増幅器３００内において予備増幅することが可能である。図１に示す例では、信号線３３ａはベアリング潤滑装置の連接レバー１８に沿って配線される。
【００２１】
燃料噴射装置１３，３７、監視及び警告装置３６、並びに診断装置３５のための制御信号はデータ処理ユニット３４の助けを得てセンサ３１，３２によって測定された測定値に基づいて処理される。図に示す例では、データ処理はコンピュータ３８によってサポートされる。圧力曲線、グラフィック及びプロトコールの数々の数値はコンピュータ３８の画面上にテーブル及び／またはグラフとして表示したり、プリンタ（図示略）によって印刷することが可能である。
【００２２】
例えば、シリンダ圧力が最大許容シリンダ圧力などの絶対限界値を越えた際、または圧力変化を示す圧力曲線が限界ピーク値を越えた際に、警告を発することが可能である。シリンダ圧力曲線の推移からピストンの焼き付けが予測された際にも、警告を発することができる。
【００２３】
多気筒エンジンの均一な運転、燃焼室内での最適な燃料の燃焼、または燃料噴射量は本発明の装置によって監視することが可能である。
図に示す例のように、燃料噴射量、噴射の開始、噴射の終了、及び／または噴射圧力は燃料噴射制御によって影響される。
【００２４】
図２に示す本発明に基づく装置では、予備増幅された測定値の信号は、アンテナ３０ｂを有する送信器３０ａによってアンテナ３３ｃを有する受信器３３ｂに向かって送信される。次いで信号は、信号線３３ａを介してデータ処理ユニット３４へ送信される。その後における測定値の信号の評価及び処理は図１の方法と同様に行われる。
【００２５】
図３には本発明に基づく装置をピストン連接ロッド１４のピストン側端部に備えたディーゼル・エンジンの一部縦断面図が示されている。装置のセンサはピストン及びピストン連接ロッドの間、ピストン及びピストン支持体の間、及び／またはピストン連接ロッドに取り付けることが可能である。
【００２６】
予備増幅された測定値の信号はアンテナ３０ｂを備えた送信器３０ａからアンテナ３３ｃを有する受信器３３ｂへ送信され、そこから信号線３３ａを介してデータ処理ユニット３４へ送信される。その後の測定値の信号の評価及び処理は図１に基づいて説明したものと同一の方法によって行われる。図２，３に示す送信器３０ａ及び受信器３３ｂはバッテリーによって駆動することが可能である。
【００２７】
データ処理、燃料噴射、監視及び警告装置、並びに診断モジュールはコンピュータにより評価及び制御ユニットにおいて統合することが可能である。燃焼室内における圧力等の所望のデータの計算のためのアルゴリズム及び方法は当業者にとって自明なことであるため、ここでの特別な説明は省略する。また、本発明に基づくディーゼル・エンジンは本発明に基づく圧力測定装置を備える。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ピストン往復動型エンジンのシリンダ圧力の継続的監視が許容されることにより、出力限界マージンを減少させ、更に高い出力を提供してディーゼルエンジンの高性能化を可能とするとともに、ピストンの焼き付き等を早期に発見してシリンダへの致命的な損傷を防止し、これによりエンジン寿命を長くするという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は複数のセンサがピストン連接ロッドのクロスヘッドの端部に取り付けられるとともに、センサの信号をケーブルを介してデータ処理ユニットへ送信する本発明に基づく装置を備えたディーゼル・エンジンの一部縦断面図である。
【図２】図２は複数のセンサがピストン連接ロッドのクロスヘッドの端部に取り付けられるとともに、センサの信号を無線によりクランク室内の受信器へ、そしてそこからデータ処理ユニットへ送信する本発明に基づく装置を備えたディーゼル・エンジンの一部縦断面図である。
【図３】図３は複数のセンサがピストン連接ロッドのピストン側端部に取り付けられるとともに、センサの信号を無線によりクランク室内の受信器へ、そしてそこからデータ処理ユニットへ送信する本発明に基づく装置を備えたディーゼル・エンジンの一部縦断面図である。
【符号の説明】
１…ピストン往復動型エンジン、１０…燃焼室、１２…ピストン、１４…ピストン連接ロッド、１８…連接レバー、３０ａ…送信器本体、３０ｂ…送信器のアンテナ、３１…圧力センサ、３２…加速度センサ、３３ａ…送信線、３３ｂ…受信器、３３ｃ…受信器のアンテナ、３４…データ処理ユニット、３５…診断装置、３６…監視及び警告装置、１３，３７…燃料噴射装置、３８…コンピュータ、３００…増幅器。
【図１】
0003540020.tif 000002
【図２】
0003540020.tif 000003
【図３】
0003540020.tif 000004