(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力を測定する圧力センサであって、 前記シリンダに接続し、該シリンダ内に開口する部分と、軸方向長さ（Ｌ）を有する測定部分（１２）と、閉鎖される終端部分とを軸方向に有するチューブ（６）を具備し、 前記測定部分（１２）が、高さ「ｈ」の括れを介して相互に接続された中心間距離「Ｂ」の２つの円形部分からなる砂時計状の断面を具備していることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記チューブの前記測定部分（１２）が、１以上の壁材料の層を具備することを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記チューブ（６）の前記測定部分（１２）が、ヨーク（２０，２１）に固定された梁（９，１０）に接触し、前記ヨークの間には、力測定器（２４，２５）を具備する張力測定装置（２２，２３）が接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記力測定器（２４，２５）が、磁気弾性センサにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記力測定器（２４，２５）が、歪みゲージにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記チューブ（６）はさらに、スロット（１４，１５，１６，１７）によって分割された梁（９，１０）と前記測定部分（１２）の両側に少なくとも１つの他の部分（１１，１３）とを有し、該チューブの２つの端部（１８，１９）の間において、該測定部分（１２）及び該他の部分（１１，１３）が該分割された梁の部分に接触することを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記測定部分（１２）が接触した前記分割された梁の部分には力測定手段が具備され、前記他の部分（１１，１３）が接触した前記分割された梁の部分には該力測定手段と同様な機械的形態を具備するダミーの力測定手段が具備されたことを特徴とする請求項６記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、燃焼エンジンのシリンダ内部のガス圧力を連続的に計測するための圧力センサに関するものである。このような圧力センサは、数１００バールという高い圧力と、１０００℃に達する温度とを伴う過酷な環境下に置かれる。燃焼エンジン内における動作周期毎の圧力分布を判断することを可能にする連続計測においては、迅速な処理のために、圧力センサの動的な応答に対する要求は高い。
【０００２】
連続計測する圧力センサのための最も大きな使用分野は、比較的低い毎分回転数で作動させられる非常に大きな燃焼エンジンにある。そのような原動機は、例えば、船のエンジン、または、発電機およびガス圧縮機を駆動するための定置機関として使用される。
【０００３】
燃料の消費を低減するための要求、および、排ガスの化学的組成に対し増加し続ける環境への要求のために、燃焼エンジンの運転を監視することに対する要求が増加してきた。ミスファイアリングは、排ガスの化学的組成に影響を与え、燃焼エンジンの動作寿命にも悪影響を与える。連続計測によれば、ミスファイアリングを検出することができ、適正な機能を確保するためにとられるべき動作が回復される。
【０００４】
そのような圧力センサが作動する技術分野では、高温によって圧力センサの材料のエージング特性が影響されないように、長期間の安定性に対する高い要求が課される。
【０００５】
〈技術水準と問題点〉
燃焼エンジンのシリンダ内におけるガス圧力の連続計測用圧力センサは、米国特許第４４０８４９６号明細書に開示されている。図１に複製して示された態様は、円形断面を有する管状のチャネル１であって、その一端が、ガス圧力を決定すべきシリンダ（図示略）に接続されて該シリンダに開口したチャネル１を具備するセンサを示している。該チャネルの閉じた他端は、接続された側のシリンダのガス圧力が印加される比較的柔軟な膜状の円板状部分２を具備している。該円板状部分は、管状チャネルに対して同心であり、中央突起または突出部３を具備している。ガス圧力はチャネル１を介して円板状部分２および中央突出部３に伝達され、力伝達手段４を介して力測定手段５に伝達される。力伝達手段は、円板状部分に影響を与えるガス圧力からの力が力伝達手段４を介して力測定手段５における張力に変換されるように形成されている。管状チャネルの他の円筒状包囲部分は、圧力センサを構成するために、非常に硬質のものであると考えられている。上記米国特許によるセンサを有するガス圧力監視のための完全なシステムは、American Society of Mechanical Engineers Meet April 5-10, 1975(75-DGP-11)において提供された刊行物、"CYLDET, ASEA'S SYSTEM FOR MONITORING THE COMBUSTION PRESSURE IN DIESEL ENGINES"に開示されている。
【０００６】
定期刊行物MARINE ENGINEERS REVIEW, Oct. 1995には、圧力センサSEC ENGINE ANALYZERを概略的に示す"Reader ref. A1037"についての広告がある。これを参照すると、ガス圧力は、一端が図示しないシリンダ内に開口する円形断面の比較的薄い壁面を有するチューブを介して、チャネルの閉じた他端の円形端面に影響を与えることができることが明らかである。チューブは、該チューブの端部における溶接部を介して、磁性材料からなる膜に接続されている。この膜は、機械的に予め張力を印加され、溶接部を介してチューブと接触している。膜と円筒状チューブとの間には、断熱のための柱が存在する。ガス圧力は、チューブ長さの変化を開始点として使用して、間接的に決定される。接続された膜は、磁気コイルの補助によって振動させられ、この参考文献では、振動の周波数変化の２乗が実際のガス圧力に比例することを示している。
【０００７】
このような構造の欠点は、膜とチューブとが異なる温度係数を有しており、温度のみに依存し、かつ、圧力変化として解釈されることになる膜内の張力に生ずる振動を増大させることになるということである。さらに重大なのは、全ての圧力パルスにおいて、チューブが圧縮ガスからの対応する断熱温度パルスを受け易いという事実である。このパルスは、計測システムによる圧力変化として受け取られる、チューブの長さにおける動的な変化を生ずる。これを一体に取り入れることは、圧力センサが、ピーク圧力および周波数によって変化する動的な測定誤差を導入することを意味している。
【０００８】
KISTLERからの小冊子"KISTLER INFORMATION 53, DECEMBER 1996"には、円環状の形態をした断面を有する厚肉のチューブを具備する圧力センサが開示されている。円形部分に対応する断面を有するチューブの一部が軸方向に除去されている。チューブ内の空洞におけるシリンダ圧力により、該シリンダ圧力に比例して接線方向にチューブの伸びが生ずる。伸びは、圧電素子によって測定される。圧電結晶に基づく圧力センサの欠点は、それが動圧のみを測定し、したがって、静圧を測定するために使用することができないということである。ここでも、ガス内の対応する断熱の熱的パルスに基づく動的変位パルスが存在する。これらのような測定誤差は、原動機内のシリンダの効率の評価に非常に重要である。
【０００９】
したがって、シリンダに開口する一端と閉じた他端とを有する円筒状チューブには、シリンダ圧力がかかり、そのシリンダ圧力は、チューブの軸方向長さおよび直径の両方に影響を与える。上述した米国特許では、シリンダ圧力が閉鎖端部に影響を与える力が使用され、上述したSEC ENGINE ANALYZERにおいて、シリンダ圧力によって生ずる軸方向長さの変化がシリンダ圧力を決定するために使用される。円筒状チューブの直径の変化は、測定膜と圧力シリンダとの間に柱状部が存在し、伸びは柱部を介して伝達されないという理由から、未だに、シリンダ圧力の決定のために使用することができない。
【００１０】
英国特許第１３８９４０８号明細書は、シリンダからのガス圧力を測定するために適用される態様を用いて、円形チューブ内の流体圧力の測定装置を示している。チューブの測定部分は円形断面である。
【００１１】
英国特許第２０１９００７号明細書は、シリンダ内のガス圧力を測定するための同様の装置を示している。この装置から、測定部分における外面の壁面が２つの平坦かつ平行な表面を形成するチューブを使用することは公知である。
米国特許第４２９０３１１号明細書によれば、２つの変換器がチューブに対して保持されているチューブにおいて圧力を測定することは公知である。このチューブは測定点において円形の断面を有している。歪みゲージ形式の変換器が、２つの平行な部分の間に保持され、変換器の接触面が、円形のチューブに適合する形状に形成されている。
米国特許第３８９８８８５号明細書によれば、柔軟なホース内の流体圧力を測定するために円形断面を有するチューブを使用することは公知である。
英国特許第２１９８２３９号明細書によれば、柔軟なホース内の流体圧力を測定するために平坦な平行測定面を有するチューブを使用することは公知である。
米国特許第５０４４２０３号明細書からも、柔軟なホース内の流体圧力を測定するために平坦な平行測定面を有するチューブを使用することは公知である。
【００１２】
（発明の説明と効果）
この発明に係る圧力センサも、ガス圧力が測定されるシリンダに一端が開口したチューブを具備している。チューブの他端は、従来技術と同様に閉じられている。この発明は、チューブの閉鎖端に対する圧力を使用する代わりに、チューブの壁内における移動をシリンダ圧力の測定のために使用することができるように形成されていることである。
【００１３】
このような特性を有するチューブの一態様が、図２に示されている。すなわち、円形チューブおよび従来技術による平坦な平行面を有するチューブとは本質的に異なる測定部分を有するチューブの形状である。このチューブは軸方向に、シリンダに接続される部分、測定部分および閉鎖部分を具備している。
【００１４】
このセンサの測定チューブの一態様では、図２に示されるように、チューブ６の壁面は、内部断面が砂時計状（瓢箪形）となるように形成されている。砂時計状の断面は、ｙ方向の高さ「ｈ」を有する括れによって接続された２つの略円形部分からなっている。計測の観点から、このことは、相互に「ｈ」だけ離れた２つの等価な平行測定断面を与え、各平行測定断面は、それぞれ、ｘ方向の２つの円形部分の中心間距離である幅「Ｂ」とｚ方向の軸方向長さ「Ｌ」とを有している。
【００１５】
前記チューブは、外部において、例えば、図５に示されるような力測定手段に空洞内の圧力を伝達する測定面７，８の両側で、頑丈な梁９，１０に接触している。この態様は、梁９，１０が、測定チューブ６に固定され、または、図３の一部を破断した斜視図に示されているように、測定チューブと同じ材料から構成されていてもよい。
【００１６】
砂時計状の態様において、空洞内で変化する温度の影響が最小化された。圧縮中の短いパルスおよびシリンダ内における燃料の燃焼による温度変化は、誤差源を構成する。ガス圧力による力を測定する圧力センサも温度変化による力を測定し、したがって、測定値は誤差を含むことになる。このため、圧力センサチューブ６の壁面は、温度変化の効果を最小化するように構成されている。これは、温度変化による力の大きさを決定する要因の内の２つを低減することによって達成される。
【００１７】
圧力センサの空洞壁面における温度変化の効果は、拘束されたバネ内の温度変化による圧縮応力と比較可能な力Ｆｓを生じさせ、Ｆｓは以下の式で表される。
Ｆｓ＝ΔＴ・α・ｈ・ｋｘ
ここで、
Ｆｓ＝温度変化による力、
ΔＴ＝温度変化
α＝材料の膨張係数
ｈ＝測定面間の距離
ｋｘ＝システムのバネ定数
である。
【００１８】
図２および図３に示された態様における寸法ｈ、すなわち、測定面間の距離は、バネの両端の間の距離と等価である。チューブの半円形断面の直径Ｈに対して、距離ｈは砂時計形状における括れによって低減され、測定領域の剛性ｋｘは、圧力チューブの断面形状における大きな変化によって低下している。このシステムのバネ定数は、２つの平坦な平行面を用いた従来技術の測定装置よりも小さい。これら２つの要因を大きく低減することは、温度変化による測定面上の任意の力Ｆｓの効果を大幅に低減する。
【００１９】
図２〜図５に示された態様は、例えば、平坦な平行面を有する従来の装置と比較される。ｈ＝Ｈ／２ならば、バネ定数ｋｘは一桁だけ低減され、砂時計状の態様における温度変化による力Ｆｓは、平坦な平行測定面を有する装置における効果と比較して数分の１に低減される。
【００２０】
図２の断面に見られる梁９，１０は、図３に示されているように、４つのスロット１４〜１７によって、２つの端部１８，１９の間の３つの部分１１〜１３に、軸方向に分割されている。４つのスロットは、図２に示された測定面７，８の両側に配されている。これらスロットは、チューブの２つの端部における機械的条件の変化から中央の測定部分１２を切り離す効果を有している。この態様における中央の測定部分は、無限に長いチューブの中央部分に近似される。無限長のチューブに近似することの利益は、端部における圧力および温度の効果が、圧力センサの中央測定部分に対して微々たるものになるということである。
【００２１】
中央測定部分１２は、図５に示されているような力測定手段によって取り囲まれまたは該力測定手段に取り付けられている。図５において、チューブ６は、２つの磁気弾性変換器を組み込んだ力測定手段とともに示されている。図２〜図５に示される態様において、ダミーの力測定手段が、中央測定部分１２のいずれかの側の部分１１，１３の梁に据え付けられていてもよい。ダミーの力測定手段は、測定部分１２に据え付けられた力測定手段と同様の機械的システムである場合には、中央の測定部分の両側の２つの部分において機能する。これにより、中央部分と該中央部分の両側の２つの部分との間の機械的挙動の全ての相違点が低減され、このようにして、無限長の測定チューブの理想的な効果に、より緊密に近づくことになる。
【００２２】
円形または平坦な平行測定面を使用する装置と比べて、図２〜図５に示された圧力センサの態様に組み込まれたこれらの変更点により、温度パルスの影響が最小限に低減される。
【００２３】
この発明の他の態様において、チューブの壁面は、１以上の層から構成されていてもよい。これらの層は、例えば、同心の層、螺旋状の層、相互に接着された層、および同心の層と螺旋状の層の混合層として設けられていてもよい。多層壁の態様は、同じ全体厚さの壁面に対する剛比が、単層壁の場合と比較して大幅に低減されるという利点を与える。剛比は、チューブ壁面の厚さの３乗に従って硬さが変化するという事実によって低減される。したがって、このことは、測定面の同じ動作が、多層壁の態様における同じ全体壁厚に対してずっと低いガス圧力で行われることを意味し、したがって、測定される全圧力に対して、チューブに迂回する力の割合を大幅に低減する。
【００２４】
多層壁の態様によれば、さらに、圧力チューブの剛性が低減されることにより、圧力センサチューブ材料の迂回効果が大幅に低減されるので、測定精度が改善される。
【００２５】
圧力センサの他の態様において、測定面間の距離ｈは、測定チューブの円形部分の内側直径Ｈの値に近い値である。この態様では、測定チューブの壁面は、１より多い層によって構成されている。この態様は、温度の変動による測定誤差が十分に低減された環境において使用することができる。このことは、動作条件下において、チューブの測定部分の測定可能な変形を生起するのに必要な低減された力が、温度変動による誤差を微々たるものにする、多層壁の態様によって達成される。
【００２６】
上述したように、この発明に係る圧力センサは、従来技術に係る燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力を測定するための圧力センサに対して、多くの利点を有している。
【００２７】
力測定手段内の２つの同一の測定器を使用することにより、システマティックな誤差の補償の機会を、１つの測定領域に基づく圧力センサに対するよりも良好に得ることができる。
【００２８】
例えば、磁気弾性原理に基づくもの、抵抗線歪みゲージ等のような好適な測定器を使用することにより、必要なセンサ部分の全変形量は、僅かに数μｍである。このことは、チューブによる力の「迂回」が、ガス圧力作動力に対して小さくなることを意味している。記載されたチューブのデザインおよびヨークを有する構造は、さらに、チャネル壁面における熱力学的効果が、測定信号に最小に影響を与えるのみであることを意味している。他の面の形状に対する平行な測定面の相対的な大きさ「Ｂ×Ｌ」は、選択された力の伝達および存在する測定器に適している。砂時計形状および多層壁構造のような実施形態が圧力センサにおいて組み合わせられるときに、迂回効果がさらに極小化されることになる。
【００２９】
図２〜５に示された実施形態の他の利点は、チューブ状部分６の円滑かつ均一な内部断面によって与えられる。このことは、シリンダからの任意の老廃物または粒子状物質の蓄積を防止し、簡易かつ完全に洗浄することを可能にする。圧力センサは、例えば、保守作業中に圧縮空気を適用することにより、または、圧力センサのシリンダに接続されていない端部に配されているバルブ（図示略）を開くことによって、エンジンの通常運転中に、燃焼ガスを高速で均一なチューブを通過させることにより、洗浄されてもよい。
【００３０】
（図面の簡単な説明）
図１は、従来技術に係る燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力用圧力センサの一実施形態を示している。
図２は、この発明に係るガス圧力用圧力センサに含まれるチューブの断面を示している。
図３は、この発明に係る実施形態の斜視図を示している。
図４は、この発明に係る実施形態の斜視図を示している。
図５は、力測定手段を有する、この発明に係る実施形態の他の斜視図を示している。
【００３１】
（実施形態の説明）
燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力を測定するための圧力センサの一実施形態が図２に示されている。チューブ６の測定部分の壁面は、その内部断面が、括れ部分によって相互に接続された２つの円形部分からなる砂時計形状となるように形成されている。他の実施形態では、チューブの壁面は、図３に示されたように、梁９，１０に取り付けることもできる。前記部分１２の梁の外面は、例えば、図５に示されているように、硬質の力測定手段に取り付けられている。
【００３２】
図２〜図５に示された実施形態では、測定面間距離寸法ｈは、砂時計形状における括れにおいて小さくなっている。圧力センサチューブ６は、軸方向に沿って、２つの端部１８，１９の間に、図２に示された測定面７，８の両側に配されている図３に示された梁９，１０内の４つのスロット１４〜１７によって、分割されている。図２に示されたものと同様の断面を有するチューブ内の測定面は、２つの円の中心間距離「Ｂ」に等しい等価な幅と、軸（ｚ）方向に長さＬとを有している。
【００３３】
中央測定部分１２は、図５に示されたものと同様に、梁９，２０に接触する力測定手段によって取り囲まれている。この発明の説明に記載されているチューブは、符号６として示されている。チューブは、ガス圧力を測定すべきシリンダ内に延びる。チューブの他端（図示略）は閉じられている。上述したチューブ内の平行な測定面「Ｂ×Ｌ」には、力変換ヨーク２０，２１が固定されている。ヨーク２０，２１は、図５に示された実施形態では、梁９，１０と一体化されている。シリンダブロック内に圧力センサを取り付けるために、センサは、図５に係る円板状の好適な形状に形成されている。その結果、外側に湾曲したヨークの部分は円弧形状をしている。
【００３４】
両ヨーク２０，２１を一体に接続する張力測定装置２２，２３は、力測定手段を構成するために測定器２４，２５を具備している。図示された実施形態において、測定器は、PRESSDUKTOR構築原理による公知の磁気弾性測定原理に基づいている。そのことは、両方の張力測定装置における凹部は、円形の膜が、チューブの断面を含む平面に平行な平面内のリムに形成されるように機械加工されている。各膜には、交番電流を用いた膜の磁化のための一次巻線２６、および、発生する電圧を測定するための巻線２７用の孔が形成されている。
【００３５】
図５に示されるような方法で構成される圧力センサの他の実施形態においては、円形膜が、チューブを２つの同一の半片に分割する断面を含む平面に直交する平面と平行な平面内に配されるように機械加工が実施されている点が相違している。
【００３６】
図２〜図５に示される実施形態では、中央測定部１２の両側に隣接する部分１１，１３の梁に、ダミーの力測定手段が据え付けられている。
【００３７】
圧力センサの観点から、最も重要な部分は、図３のチューブの測定部分１２であることは明らかである。シリンダに接続された部分、および、開口端および閉鎖端の形状は、多くの異なる略管状の形状によって達成することができる。したがって、チューブを構成するための開始物質は、最終的なデザインおよび利用可能な加工または成形方法に依存して、管形状または他の任意の形状であってもよい。
【００３８】
この発明の他の実施形態において、チューブの壁は、２以上の層から構成されていてもよい。これらの層は、多くの異なる方法で設けられていてもよい。例えば、同心の層、螺旋状の層、相互に接着された層、同心と螺旋状の形態の混合した層でよい。
【００３９】
この発明の他の実施形態では、測定面間距離ｈが測定チューブの円形部分の内部直径Ｈに近い値である。この実施形態では、測定チューブの壁面は２以上の層から構成されている。この実施形態は、温度の変動による測定誤差が十分に低減された環境において使用することができる。このことは、多層壁の実施形態を用いることにより達成され、これによれば、動作条件下でチューブの測定部分の測定可能な変形を生成するために必要とされる低減された力により、温度変動による誤差が微々たるものとなる。
【００４０】
この発明の好適な、かつ、最良の実施形態は、図２に断面で、図３，図４に斜視図で示された実施形態であり、測定チューブ６の壁面が２以上の層を有し、中央測定部分１２の両側において、梁１１，１３に、ダミーの力測定手段が据え付けられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術に係る燃焼エンジンのシリンダ内のガス圧力用圧力センサの一実施形態を示している。
【図２】  この発明に係るガス圧力用圧力センサに含まれるチューブの断面を示している。
【図３】  この発明に係る実施形態の斜視図を示している。
【図４】  この発明に係る実施形態の斜視図を示している。
【図５】  力測定手段を有する、この発明に係る実施形態の他の斜視図を示している。
【図１】
0004301423.tif 000002
【図２】
0004301423.tif 000003
【図３】
0004301423.tif 000004
【図４】
0004301423.tif 000005
【図５】
0004301423.tif 000006