JP2005120842A - 燃料噴射システムの作動検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動や音により燃料噴射ノズルの異常を判定する際に、複雑な装置を使わずに機械からのノイズの影響を受けることなく、正確に異常の有無を判定する事ができる燃料噴射ノズルの作動検知装置を提供する。
【解決手段】 被燃料噴射ノズル１〜４の作動中の振動または音を燃料供給配管５に貼り付けたセンサ１０或いは１１により検出すると同時に被内燃機関の気筒判別信号を検出し、両者をオシロスコープ等の電圧モニタ１３上に表示し、異常の有無および異常発生気筒を特定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関用の燃料噴射システムの検査装置に係わり、特にエンジン運転中の燃料噴射ノズルの作動振動を検出して、その作動状態の異常の有無を検査する作動検知装置に関する。

従来より、機械などの異常振動をセンサを用いて検知する装置が知られている。

例えば、特開2001-272268号公報に記載される機械の異常検査装置では、被検査機械としてエンジンを例示し、エンジンの作動音または振動を振動検出手段（例えば加速度センサ）により検出し、またエンジンの回転角度を検出する。そして、検出した音又は振動を、エンジンの回転角度と対応付けした任意の時間窓を設定して、コントーローラ部で高速フーリエ変換により周波数分析を行うことで、エンジンの異常音の発生箇所を特定している。

特開２０００−２７２２６８号公報

上記の異常検査方法では、単純に連続した周波数分析を行うだけでは、振動波形にノイズが多く含まれるため異常の検出が困難である。そのため、検出した回転角度と対応付けした任意の時間窓を設定し、かつ検出した音又は振動を、フィルタを用いてノイズを減らし、そのデータを高速フーリエ変換による周波数解析処理を行い、振動強度の周波数分布を算出することにより、有効な判定結果を得ている。このような検査方法によれば、周波数解析機能を必要とし、検査装置も操作が複雑で高価なものになる。

本発明の目的は、特に内燃機関の燃料噴射器（例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、その他種々の燃料に関するエンジンに用いる燃料噴射器）を有する燃料噴射システムの異常の有無を検査する装置を提供するものであり、上記のような周波数解析処理などの処理なしで、測定した振動又は音から燃料噴射ノズルの作動状態を検出し得る装置を実現することにある。

特に、最近では、エンジン及びその周辺機器の高密度実装化が図られてきており、エンジンに組み込まれた燃料噴射ノズルの設置箇所は、他の部品の陰に隠れるため、燃料噴射ノズルの作動状況を直接検査することが困難になっている。そのような場合であっても、簡易に燃料噴射ノズルの作動状況を検査し得る検査装置（作動検知装置）を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、基本的には、次のように構成する。
（１）すなわち、燃料噴射器を有する内燃機関の作動中の燃料噴射ノズルの作動状態を検知するために用いる装置であって、
燃料噴射時に発生する前記燃料噴射ノズルの作動振動を、前記燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管からの振動または音として検出する検出手段と、
検出した振動を波形処理する波形処理手段と、
前記波形処理手段からの振動波形を表示するモニタ手段と、を有することを特徴とする。
（２）さらに、その具体例としては、前記検出手段として三次元加速度センサを用いたものを提案する。この三次元加速度センサにより、前記燃料噴射ノズルから前記燃料供給配管に伝わる作動振動と燃料供給配管内に発生する燃料の脈動振動とを検出する。
（３）また、前記波形処理手段として、前記検知手段から入力した振動波形をある範囲で任意のレベルにアナログ電圧レベル変換すると共に測定した三次元方向の振動のうち最も有効な一方向の波形を選び出力する機能を有するものを提案する。或いは三次元方向の振動の和を出力する機能を有するものを提案する。
（４）さらに、前記モニタ手段として、前記波形処理手段から出力される振動波形と、内燃機関から検出した気筒判別信号とを対応付けすることにより、燃料噴射ノズルのいずれかに異常がある場合に気筒によって特定できるようにしたものを提案する。

本発明によれば、以下のような効果を奏する。
（１）の発明：本発明は、燃料噴射ノズルの作動音や作動振動波形は、燃料供給配管に伝わり、その波形信号を抽出するといった点を見出してなされたものである。すなわち、燃料噴射ノズルの作動音や作動振動波形は、燃料供給配管上に設けた検知センサを介して検出され、波形処理手段で適切な電圧レベルに変換されてモニタ表示される。そのため、従来のような高速フーリエ変換といった複雑なデータ処理をすることなく燃料噴射ノズルの作動状況を知り得る。
（２）の発明：燃料噴射ノズルの作動時には、その作動振動（例えばニードル弁などのシートに対する開閉動作により生じる振動）が燃料供給配管上に伝わり、また、燃料供給配管内には燃料脈動振動が生じる。これらの振動は、方向性が一致しなくとも、三次元加速度センサを燃料供給配管上に設置すれば捕らえることができる。したがって、三次元加速度センサの各次元の波形振動に基づき燃料噴射ノズルが正常に作動しているか否かを検出することができる。
（３）の発明：適切な信号のみを取り出すことにより、対ノイズ比の良い信号を得ることができる。
（４）の発明：検出した燃料噴射ノズルの作動振動波形と、内燃機関から検出した気筒判別信号をモニタ画面上で対応付けし、各気筒の燃料噴射ノズルの作動振動を同じ時間軸上に表示する。すなわち時間窓として明確に燃料噴射ノズルの作動状態を捕えることで、作動不良を起こした燃料噴射ノズルを特定の気筒と関連づけて検出することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図1は、内燃機関の燃料噴射システムに本発明に係る噴射ノズル作動検知装置の一例を適用した状態を示す構成図、図２は、その一部を断面して示す説明図、図３は、その検査装置のモニタ画面の一例を示す図である。

ここでは、燃料噴射システムの一例としてガソリンエンジンのインジェクションシステムを例示するが、本発明は、ディーゼルエンジン、その他各種燃料のエンジンの燃料噴射システムについても適用可能である。

１、２、３、４は燃料噴射器を構成する燃料噴射ノズルである。燃料噴射ノズルは、ガソリンエンジンの場合には、燃料噴射弁（インジェクタ）と称せられることもある。燃料噴射ノズル１〜４は、一例として電磁弁を例示する。本例は、４気筒エンジンを例示するために、４個の燃料噴射ノズルを内燃機関用として用いるが、これに限定するものではないことはいうまでもない。

図１では、作図の便宜上、エンジン１７と燃料噴射ノズル１〜４とを切り離して例示しているが、実際には、燃料噴射ノズル１〜４は、エンジン１７に組み込まれている。本例では、図２に示すように、燃料をエンジンの各気筒内に直接噴射する方式の燃料噴射ノズルを示しているが、吸気通路マニホールドの各吸気ポートに燃料を噴射する方式の燃料噴射ノズルであってもよい。

燃料噴射ノズル１〜４は、図２に示すように電気信号（デューティ信号）により励磁される電磁コイル２０と、電磁コイル２０の励磁，非励磁により矢印Ａ方向に往復動作する弁体付きのプランジャ（ニードル，ロッドと称されることもある）２１と、プランジャ２１を閉じ側に付勢するリターン用スプリング２２などを有する。

燃料噴射ノズル１〜４は、燃料供給配管５に接続されて、燃料ポンプ８で加圧（例えば２〜２．５Kg／cm2）された燃料で満たされている。８は燃料圧力レギュレータ、１９は燃料タンク、７は燃料の戻り配管である。

電磁コイル２０に励磁電流が流れると、プランジャ２１がリターンスプリング２２の力に抗して上方向に引き上げられ、ノズルのオリフィス２３が開き、燃料が噴射される。コイル２０の励磁電流の通電が止まると、それまでプランジャ２１を上方に引き上げていた力がなくなり、リターンスプリング２２の力によりプランジャ２１が元の位置（弁シート側）に押し戻され、ノズルのオリフィス２３が閉まり、燃料の噴射が止まる。この燃料噴射時の閉弁時にプランジャ２１が弁シートに衝突することで振動（作動振動）が生じ、その振動が燃料供給配管５に伝わる。燃料噴射ノズル１〜４は、燃料供給配管５にシールパッキンを介して取り付けられる。また、燃料噴射ノズル１〜４と燃料供給配管５との嵌合部に螺子を切って、燃料噴射ノズルを燃料供給配管に固着してもよい。燃料噴射ノズル１〜４は、燃料供給配管５の嵌合部に押圧される状態で取り付けられるので、燃料噴射ノズルで生じた作動振動は、燃料供給配管に伝わり易い構造になっている。

燃料噴射ノズルの作動検知装置（検査装置）１００は、例えば修理工場やエンジンの製造工場の検査ラインに用意されており、振動または振動音を検出するための加速度センサ１０と、検出した信号を適切なアナログ電圧レベルの波形信号に変換するためのアンプ（波形処理手段）１２、その波形信号（振動波形）を電圧波形で表示するオシロスコープなどの電圧モニタ１３から構成される。

なお、図１の符号９は、集音センサ、１１はそのセンサ出力を増幅するためのアンプであり、集音センサ９及びアンプ１１は、上記加速度センサ１０に変わる代替手段の作動振動検出手段を示すものであるが、図では便宜上、同一画面に表している。

エンジン回転状態を検出するクランク角度センサ１４は、検査対象の燃料噴射ノズルと対応付けさせるエンジンの気筒判別信号を形成する。

エンジンコントロールユニット１５は、エンジン制御に必要な各種センサ信号を入力し、その一つとしてクランク角センサ１４からの出力信号をケーブル１６を介して入力する。電圧モニタ１３は、このエンジンコントロールユニット１５にケーブル１６´を接続することにより、気筒判別信号を電圧モニタ１３に入力できるようにしてある。

すなわち、電圧モニタ１３は、波形処理手段であるアンプ１２またはアンプ１１のいずれからの波形を入力する端子と気筒判別信号を入力する端子を備え、また、入力した波形を出力する場合の時間軸の設定、電圧レベルの設定が可能なものとする。

加速度センサ１０は、一次元、二次元加速度センサでもよいが、本実施例では、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の振動を検出し得る三次元加速度センサを用いる。加速度センサ１０は、例えば振動に応じて変位する可動子の変位をピエゾ抵抗素子或いは静電容量を介して出力するものがある。

三次元加速度センサ１０からの振動波形信号は、波形処理手段であるアンプ１２で適切なアナログ電圧レベルに変換され、クランク角度センサ１４からの気筒判別信号と共に電圧モニタ１３に入力され、それぞれの電圧波形信号を同一時間軸上に表示する。

三次元加速度センサ１０は、燃料噴射ノズル１〜４が接続される燃料供給配管５の任意の位置に、瞬間接着剤で貼り付けるなどして確実に固定する。瞬間接着剤の使用量は、検査後に加速度センサ１０を容易に燃料供給配管５から取り外すことができる程度の量である。また、瞬間接着剤を使用する場合には、燃料噴射ノズル１〜４の作動振動が燃料供給配管５に伝わり易い特長がある。

本実施例の動作について説明する。

噴射ノズルの作動振動は、弁体の開閉動作によって発生する。それは、プランジャが弁シートに衝突するときに生じる振動（プランジャ作動振動）と、燃料の噴射及び停止に合わせて発生する燃料の脈動振動がある。燃料脈動振動には、図２に示すように燃料供給配管５内に生じる脈動振動Aとその枝管に生じる脈動振動Bがある。作動振動および脈動振動は、いずれも燃料供給配管５に伝わる。

これらの振動はパルス性振動で、周波数分析をすると、ピーク周波数は２〜３KHzである。このパルス性振動は燃料供給配管には殆ど減衰すること無く伝わるが、空気中に伝わる段階で急激に減衰すると共に、エンジンが発するノイズの影響を受けてしまい、その段階での周波数分析による分離は困難である。

そのため作動振動を検出するにはノイズの影響を比較的受けていない段階で検出することが望ましい。すなわち燃料供給配管の振動を捕えることで、周波数解析処理をすることなく燃料噴射ノズルの作動振動を捕えることができる。

ただし、燃料供給配管の形状や取り付け方法、加速度センサの貼り付け位置の影響により加速度センサに伝わる作動振動が必ずしも一次元方向とは限らず、前後、左右、上下の三次元方向に振動として伝わる。そこでこれら三次元方向のパルス性振動に有効な三次元加速度センサを使うことにより、前記影響を受けずに安定した作動振動を捕えることができる。

燃料噴射ノズル１〜４の作動時に発生する作動振動は、各燃料噴射ノズルから燃料供給配管５に噴射タイミング順に時系列的に伝わる。

この時系列的作動振動が、既述したように、燃料供給配管５上で、三次元加速度センサ１０を介して検出される。その作動振動波形は、アンプ１２によって電圧レベル０〜４０ｄｂの範囲で任意にアナログ増幅される。この時の波形処理手段は、アンプ１２に代わって入力レベル調整器でもよい。

アンプ１２は、三次元加速度センサで検知した三次元方向の作動振動波形の中から最も有効な一次元方向の波形を選ぶ波形選択スイッチ（図示省略）を備える。それによって、燃料供給配管５の形状、三次元加速度センサの貼り付け位置が変わっても、前後、左右、上下の三次元方向の作動振動の中からその時に最良な波形と思われる方向の振動波形を選択し、電圧モニタに出力することができる。

なお、アンプ１２は、上記波形選択スイッチに変えて、三次元加速度センサの三次元方向の作動波形の和を出力する加算回路を備えてもよい。それによって、燃料噴射ノズルの噴射時に生じる作動振動，脈動振動の全てをトータルとして出力することができる。

三次元加速度センサ１０に代わりマイク9を用いる場合には、マイク9は、燃料供給配管にできるだけ接近させる。この場合には、検出した燃料噴射ノズル１〜４の作動音波形は、波形処理手段であるアンプ１１で電圧レベルを0〜40dbの範囲で任意にアナログ増幅できるものとし、電圧モニタ１３に出力する。

図３は、モニタ１３に出力される気筒判別信号と、燃料噴射ノズルの作動振動の波形状態を示す図である。図３の中のＡは、燃料噴射ノズルが正常な場合のモニタ表示画面、Ｂは、燃料噴射ノズルが異常な場合のモニタ表示画面である。

図３に示した例はエンジンが直列４気筒であり、各気筒の燃料噴射順序は気筒番号＃１、＃３、＃４、＃２となっている。ちなみにこのエンジンの場合、各気筒の燃料噴射順序から気筒番号＃１の上死点（TDC）をエンジンのクランク角度0°とすると、＃３の上死点は180°、＃４の上死点は360°、＃２の上死点は540°であり、各気筒の上死点位置を表すものが気筒判別信号である。そして各気筒の燃料噴射時期は各上死点角度プラス60°のタイミングである。

燃料噴射ノズルが正常に作動していれば、気筒判別信号と同じ時間窓上に表示した気筒判別信号すなわち上死点角度プラス60°に燃料噴射ノズルの作動時に発生するパルス性振動が表示される。

燃料供給配管に貼り付けた三次元加速度センサで捕えた作動振動波形は、各気筒の噴射ノズルが正常に作動している場合、図中の（Ａ．正常時）に示す様に各気筒判別信号後60°とほぼ同じ時間軸の位置に表示される。

また、燃料噴射ノズルが作動していない場合、例えば＃３気筒の燃料噴射ノズルが作動していなかった場合、図中の（Ｂ．異常時）へ示すように＃３気筒の気筒判別信号後60°とほぼ同じ時間軸の位置に正常に作動していれば現れるはずの燃料噴射ノズル作動振動が現れない。これはつまり＃3の燃料噴射ノズルが動作していないことになる。それを電圧モニタで確認する事により作動異常が発生したと判断する。

上記実施の形態では、自動車用エンジンの燃料噴射ノズルの例を示したが、燃料噴射ノズル及びそれに接続される燃料供給配管を備える内燃機関に適応可能である。

燃料噴射ノズルの作動振動測定条件は、アイドリング状態から車両走行中まで可能である。

本発明を適用した内燃機関用燃料噴射ノズルの作動検知装置の構成図。 図１の燃料噴射ノズルの一部とその作動検知装置の一部を示す図。 燃料噴射ノズル作動振動検知例を説明する図。

符号の説明

１〜４…燃料噴射ノズル、５…燃料供給配管、９…マイク、１０…三次元加速度センサ、１１，１２…波形処理手段（アンプＡ，アンプＢ）、１３…電圧モニタ、１４…クランク角度センサ、１５…エンジンコントロールユニット、１６，１６´…気筒判別信号ケーブル。

Claims (5)

1. 燃料噴射器を有する内燃機関の作動中の燃料噴射ノズルの作動状態を検知するために用いる装置であって、
   燃料噴射時に発生する前記燃料噴射ノズルの作動振動を、前記燃料噴射ノズルに燃料を供給する燃料供給配管からの振動または音として検出する検出手段と、
   検出した振動を波形処理する波形処理手段と、
   前記波形処理手段からの振動波形を表示するモニタ手段と、を有することを特徴とする燃料噴射システムの作動検知装置。
2. 前記検出手段として三次元加速度センサが用いられ、この三次元加速度センサにより、前記燃料噴射ノズルから前記燃料供給配管に伝わる作動振動と燃料供給配管内に発生する燃料の脈動振動とを検出する請求項1記載の燃料噴射システムの作動検知装置。
3. 前記波形処理手段は、前記検知手段から入力した振動波形をある範囲で任意のレベルにアナログ電圧レベル変換すると共に測定した三次元方向の振動のうち最も有効な一方向の波形を選び出力する機能を有する請求項１又は２記載の燃料噴射システムの作動検知装置。
4. 前記波形処理手段は、前記検知手段から入力した振動波形をある範囲で任意のレベルにアナログ電圧レベル変換すると共に測定した三次元方向の振動を加算して出力する機能を有する請求項１又は２記載の燃料噴射システムの作動検知装置。
5. 前記モニタ手段は、前記波形処理手段から出力される振動波形と、内燃機関から検出した気筒判別信号とを対応付けすることにより、燃料噴射ノズルのいずれかに異常がある場合に気筒によって特定できるようにしてある請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料噴射システムの作動検知装置。
   

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