JP2007255347A - インジェクタの状態判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内圧センサの出力信号を利用し、インジェクタの故障や作動遅れを含む状態を適切に判定できるインジェクタの状態判定装置を提供する。
【解決手段】 インジェクタの状態判定装置は、シリンダヘッド３ｂに設けられ、気筒３ａ内に燃料を噴射するインジェクタ４と、インジェクタ４に駆動信号ＳＩＮＪを出力し、インジェクタ４を駆動するインジェクタ駆動手段２と、シリンダヘッド３ｂに設けられ、気筒３ａ内の圧力を検出する筒内圧センサ６と、駆動信号を出力した直後の所定期間内に出力された筒内圧センサ６の出力信号ＤＰに基づいて、インジェクタ４の状態を判定する状態判定手段２と、を備える。
【選択図】 図６

Description

本発明は、内燃機関の気筒に燃料を噴射するインジェクタの状態を判定するインジェクタの状態判定装置に関する。

気筒内の圧力を検出する筒内圧センサの検出結果を用い、使用中の燃料の性状を判定する従来の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この筒内圧センサは、グロープラグと一体型のものであり、気筒（燃焼室）内の圧力の変化率を表す信号を出力する。また、インジェクタの燃料噴射量および燃料噴射時期は、ＥＣＵからの駆動信号によって制御される。

この制御装置では、内燃機関が特定の運転状態にあるときに、インジェクタからの燃料の噴射後、筒内圧センサで検出された圧力変化率がピーク値を示すクランク角度位置を、燃料の実着火時期として検出する。また、ＥＣＵからインジェクタへの駆動信号の出力時期から実着火時期までのクランク角度を、着火遅れ角度として算出するとともに、算出した着火遅れ角度を内燃機関の回転数に応じて着火遅れ時間に換算する。そして、この着火遅れ時間に応じ、所定のテーブルを検索することによって、使用中の燃料のセタン価を推定する。

このように、従来の制御装置では、インジェクタへの駆動信号の出力時期を基準として、インジェクタから噴射された燃料の着火遅れを求め、この着火遅れに基づいて燃料のセタン価を推定する。このため、セタン価の推定を精度良く行うためには、インジェクタが適正に動作していることが前提になる。例えば、ノズル部の摩耗などの経時劣化によってインジェクタの作動（開弁）遅れが生じている場合には、駆動信号に対して実際の噴射時期が遅れるのに応じて、実着火時期も遅れる。これに対し、従来の制御装置では、駆動信号の出力時期を基準として着火遅れを算出するので、より大きな着火遅れが得られる結果、セタン価が小さめに推定されてしまう。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、筒内圧センサの出力信号を利用し、インジェクタの故障や作動遅れを含む状態を適切に判定することができるインジェクタの状態判定装置を提供することを目的とする。

特開平２００６−１６９９４号公報

上記の目的を達成するため、本発明によるインジェクタの状態判定装置は、シリンダヘッド３ｂに設けられ、気筒３ａ内に燃料を噴射するインジェクタ４と、インジェクタ４に駆動信号（実施形態における（以下、本項において同じ）駆動パルス信号ＳＩＮＪ）を出力することによりインジェクタ４を駆動するインジェクタ駆動手段（ＥＣＵ２）と、シリンダヘッド３ｂに設けられ、気筒３ａ内の圧力を検出する筒内圧センサ６と、駆動信号を出力した直後の所定期間内に出力された筒内圧センサ６の出力信号（筒内圧変化量ＤＰ）に基づいて、インジェクタ４の状態を判定する状態判定手段（ＥＣＵ２、図６のステップ２５〜２７、３０〜３２）と、を備えることを特徴とする。

このインジェクタの状態判定装置では、インジェクタ駆動手段からの駆動信号によって、インジェクタが駆動され、気筒内に燃料を噴射する。筒内圧センサは、噴射された燃料の燃焼によって発生した気筒内の圧力を検出し、その信号を出力する。また、インジェクタおよび筒内圧センサはシリンダヘッドに設けられており、インジェクタの噴射時には、インジェクタの伸縮などにより発生した振動が、シリンダヘッドを介して筒内圧センサに伝達され、感知される。駆動信号の出力直後に出力される筒内圧センサの出力信号は、このインジェクタの作動に起因する振動を感知したものであり、インジェクタの動作状態を反映する。したがって、この出力信号に基づいて、インジェクタの状態を適切に判定することができる。

また、判定に用いる筒内圧センサの出力信号を、駆動信号の出力直後の所定期間内に出力されたものに限定するので、インジェクタの作動に起因する信号のみに基づき、その後に発生する燃焼による信号の影響を受けることなく、判定を適切に行うことができる。さらに、インジェクタの作動に起因して発生する筒内圧センサの出力信号を利用して、インジェクタの状態を判定するので、筒内圧センサが既設の場合には、格別の部品を追加することなく、判定装置を安価に構成することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のインジェクタの状態判定装置において、状態判定手段は、筒内圧センサ６の出力信号のレベル（最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸ）に基づいて、インジェクタ４の故障を判定することを特徴とする。

インジェクタが故障し、例えば作動不能になると、インジェクタの作動に起因する筒内圧センサの出力信号のレベルは、フラットになる。したがって、この出力信号のレベルに基づいて、インジェクタの故障を適切に判定することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のインジェクタの状態判定装置において、状態判定手段は、筒内圧センサ６の出力信号の発生タイミング（ピーク時クランク角度ＣＡＰＥＡＫ）に基づいて、インジェクタ４の作動遅れを判定することを特徴とする。

インジェクタに作動遅れが生じると、インジェクタの作動に起因する筒内圧センサの出力信号の発生も遅れる。したがって、この出力信号の発生タイミングに基づいて、インジェクタの作動遅れを適切に判定することができる。なお、このようなインジェクタの作動遅れは、主としてインジェクタの経時劣化によって発生する。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本実施形態による判定装置１を、これを適用した内燃機関（以下「エンジン」という）３とともに示している。エンジン３は、４つの気筒３ａを有する直列４気筒型のディーゼルエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。

エンジン３のシリンダヘッド３ｂには、燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）４が、気筒３ａごとに設けられている。インジェクタ４の燃料噴射量および燃料噴射時期は、ＥＣＵ２からの駆動パルス信号ＳＩＮＪ（駆動信号）によって、気筒３ａごとに制御される。

エンジン３のクランクシャフトには、マグネットロータとＭＲＥピックアップ（いずれも図示せず）で構成されたクランク角センサ５が設けられている。クランク角センサ５は、クランクシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号を所定のクランク角（例えば１度）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

また、エンジン３の各気筒３ａには、筒内圧センサ６が設けられている。以下、図２を参照しながら、この筒内圧センサ６の構成を説明する。同図に示すように、筒内圧センサ６は、シリンダヘッド３ｂに取り付けられたグロープラグ７に一体に設けられており、一対の検出部１１、１１と、加算器１２ａを有する出力回路１２を備えている。

グロープラグ７は、ハウジング２１と、このハウジング２１を上下方向に貫通して延びるインナー２４を備えている。ハウジング２１は、収容部２２と、この収容部２２から下方に延びる支持部２３を有しており、この支持部２３の中央部において、シリンダヘッド３ｂの孔３ｃにねじ込まれている。

インナー２４は、上下方向に延びる軸部２４ａと、この軸部２４ａの上部に設けられたつば部２４ｂと、軸部２４ａから下方に延びるグローヒータ部２４ｃを一体に有している。軸部２４ａの中央部は、ハウジング２１の支持部２３の収容孔２３ａに若干の遊びをもって嵌合し、下端部は係合孔２３ｂに圧入されている。グローヒータ部２４ｃは、シリンダヘッド３ｂから下方に突出し、気筒３ａ内の燃焼室８に臨んでいる。グローヒータ部２４ｃには、電源（図示せず）から電力が供給され、それにより燃焼室８が加熱される。

また、インナー２４のつば部２４ｂは、ハウジング２１の収容部２２に配置されており、その上下の両側に検出部１１、１１が収容されている。検出部１１、１１は、互いに同じ構成を有し、上下対称に配置されており、つば部２４ｂ側から順に、絶縁板１１ａ、出力側電極板１１ｂ、圧電素子１１ｃおよびアース側電極板１１ｄで構成されている。また、これらの構成要素１１ａ〜１１ｄは、つば部２４ｂとハウジング２１の天壁２２ａまたは底壁２２ｂとの間に、所定の予荷重が与えられた状態で挟持されている。

以上の構成により、インナー２４のグローヒータ部２４ｃに燃焼室８内の圧力が作用すると、インナー２４が圧縮されることにより、下側の第１圧電素子１１ｃが伸びることによって電荷ｑ１が発生するとともに、上側の圧電素子１１ｃが縮むことによって電荷ｑ２が発生する。これらの電荷ｑ１、ｑ２は、それぞれの出力側電極板１１ｂから出力回路１２に出力され、加算器１２ａで加算された電荷ｑ（＝ｑ１＋ｑ２）がチャージアンプ３１に出力される。チャージアンプ３１は、電荷ｑを電圧信号に変換することによって、気筒３ａ内の圧力の変化量（以下「筒内圧変化量」という）ＤＰを表す検出信号を、ＥＣＵ２に出力する。

また、筒内圧センサ６が上記のように構成され、取り付けられているため、インジェクタ４の燃料噴射時には、インジェクタ４の本体の伸縮などにより発生した振動が、シリンダヘッド３ｂ、およびこれにねじ込まれたハウジング２１などを介して、筒内圧センサ６に伝達され、感知される。その結果、インジェクタ４の作動直後には、筒内圧センサ６から、図５に示すようなノイズ信号（以下「噴射時ノイズ信号」という）が出力される。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、クランク角センサ５および筒内圧センサ６の検出信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、インジェクタ４の燃料噴射制御を含むエンジン制御を実行するとともに、インジェクタ４の状態の判定などを行う。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２は、インジェクタ駆動手段および状態判定手段に相当する。

図３は、筒内圧センサ６の検出信号に対する補正処理を示している。まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）では、各筒内圧センサ６から出力された筒内圧変化量ＤＰを表す検出信号を、バンドパスフィルタ（図示せず）によってフィルタリングする。このフィルタリングにより、筒内圧センサ６の出力のうちの所定の周波数域の成分を通過させ、ノイズ成分を除去する。

次いで、フィルタリングした筒内圧変化量ＤＰに対して、位相遅れ補正を行い（ステップ２）、本処理を終了する。これにより、フィルタリングによって生じた筒内圧変化量ＤＰの位相遅れが補正される。

図４は、筒内圧変化量ＤＰを用いて実行される制御処理を示している。本処理は、ＣＲＫ信号の発生に同期し、クランク角１度ごとに実行される。まず、ステップ１１では、今回が、インジェクタ４に駆動パルス信号ＳＩＮＪが出力された直後であるか否かを判別する。この答がＹＥＳのときには、クランク角ＣＡＡＩＮＪを値１にセットし（ステップ１２）、ＮＯのときには、クランク角ＣＡＡＩＮＪをインクリメントする（ステップ１３）。このようにカウントされるクランク角ＣＡＡＩＮＪは、駆動パルス信号ＳＩＮＪの出力角度位置を基準（０度）とするクランク角度を表すので、以下、噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪという。

次いで、この噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪが所定角度ＣＡＲＥＦ（例えば５度）以下であるか否かを判別する（ステップ１４）。この答がＹＥＳで、噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪが、インジェクタ４への駆動パルス信号ＳＩＮＪの出力角度位置から所定角度ＣＡＲＥＦまでの所定のクランク角度区間（所定期間）内にあるときには、ステップ１５において、後述するインジェクタ４の状態判定処理を実行する（図５の状態判定期間）。

一方、ステップ１４の答がＮＯで、上記の所定のクランク角度区間が終了した後には、ステップ１６において、筒内圧変化量ＤＰを用い、所定の燃焼パラメータを検出する（図５の燃焼パラメータ検出期間）。例えば、この燃焼パラメータとして、燃料のセタン価を推定する場合の実着火時期や、燃料噴射制御に用いる図示平均有効圧力などが検出される。

図６は、上記ステップ１５で実行されるインジェクタ４の状態判定処理を示している。本処理は、インジェクタ４の燃料噴射時に筒内圧センサ６から出力される噴射時ノイズ信号に基づいて、インジェクタ４の故障や作動遅れを含む状態を判定するものである。

まず、ステップ２１では、噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪが所定角度ＣＡＲＥＦに達したか否かを判別する。この答がＮＯで、状態判定期間中のときには、ＥＣＵ２のＲＡＭ内のバッファの番号ｎを噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪと等しい数に設定する（ステップ２２）とともに、そのバッファＤＰｎに、今回検出された筒内圧変化量ＤＰを記憶する（ステップ２３）。これにより、状態判定期間中に検出された筒内圧変化量ＤＰが、ＤＰ１〜ＤＰＣＡＲＥＦとして記憶される。

一方、前記ステップ２１の答がＹＥＳで、噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪが所定角度ＣＡＲＥＦに達し、状態判定期間が終了したときには、ステップ２３で記憶された筒内圧変化量ＤＰ１〜ＤＰＣＡＲＥＦの最大値を、最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸとして算出する（ステップ２４）。

次いで、算出した最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸが、値０に近い所定のしきい値ＤＰＰ（図７参照）よりも大きいか否かを判別する（ステップ２５）。この答がＮＯで、ＤＰＭＡＸ≦ＤＰＰのときには、状態判定期間中に噴射時ノイズ信号が検出されないため、インジェクタ４が故障していると判定して、故障フラグＦ＿ＮＧを「１」にセットし（ステップ２６）、本処理を終了する。

前記ステップ２５の答がＹＥＳのときには、故障フラグＦ＿ＮＧを「０」にセットする（ステップ２７）とともに、最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸが得られたときの噴射後クランク角度ＣＡＡＩＮＪを、ピーク時クランク角度ＣＡＰＥＡＫとして設定する（ステップ２８）。次いで、このピーク時クランク角度ＣＡＰＥＡＫを、そのときのエンジン回転数ＮＥを用いて、ピーク時間ＴＭＰＥＡＫに換算する（ステップ２９）。

次に、このピーク時間ＴＭＰＥＡＫが所定の遅れ時間ＴＤＬＹＲＥＦ（例えば３００μｓｅｃ）よりも大きいか否かを判別する（ステップ３０）。そして、この答がＮＯのときには、インジェクタ４の作動遅れが発生していないと判定し、作動遅れフラグＦ＿ＤＬＹを「０」にセットする（ステップ３１）。

一方、ステップ３０の答がＹＥＳのときには、インジェクタ４の経時劣化などによりインジェクタ４に作動遅れが発生していると判定して、作動遅れフラグＦ＿ＤＬＹを「１」にセットし（ステップ３２）、本処理を終了する。このようにインジェクタ４の作動遅れが検出されたときには、例えば、ピーク時間ＴＭＰＥＡＫに応じて、燃料噴射時期が補正される。

以上のように、本実施形態によれば、インジェクタ４の作動に起因して発生し、筒内圧センサ６で感知され、出力される噴射時ノイズ信号に基づいて、インジェクタ４の故障や作動遅れを含む状態を適切に判定することができる。具体的には、噴射時ノイズ信号の最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸがしきい値ＤＰＰ以下のときに、インジェクタ４が故障していると判定できるとともに、最大筒内圧変化量ＤＰＭＡＸが得られるピーク時クランク角度ＣＡＰＥＡＫに基づいて、インジェクタ４の作動遅れの有無を判定することができる。また、筒内圧センサ６が既設の場合には、格別の部品を追加することなく、判定装置を安価に構成することができる。

また、インジェクタ４の状態判定を、インジェクタ４への駆動パルス信号ＳＩＮＪの出力角度位置から所定角度ＣＡＲＥＦまでの状態判定期間に限定して行うので、インジェクタ４の作動に起因する噴射時ノイズ信号のみに基づき、それ以降に発生する燃焼による信号と切り分けながら、インジェクタ４の状態判定を適切に行うことができる。また、以降の燃焼パラメータ検出期間では、噴射時ノイズ信号を排除しながら、燃焼パラメータを精度良く検出することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、噴射時ノイズ信号の発生タイミングを、筒内圧変化量ＤＰのピーク位置としているが、これを、筒内圧変化量ＤＰが所定のしきい値を超えたタイミング、あるいは筒内圧変化量ＤＰの波形の面積（積分値）が所定のしきい値を超えたタイミングとしてもよい。また、実施形態では、ピーク時間ＴＭＰＥＡＫが所定の遅れ時間ＴＤＬＹＲＥＦよりも大きいときに、インジェクタ４の経時劣化などによる作動遅れが発生しているとして、ピーク時間ＴＭＰＥＡＫに応じて燃料噴射時期を補正すると説明したが、ＴＭＰＥＡＫ≦ＴＤＬＹＲＥＦの場合にも、ピーク時間ＴＭＰＥＡＫに応じた燃料噴射時期の補正を同様に行ってもよい。

また、実施形態では、気筒３ａごとに筒内圧センサ６を設け、各インジェクタ４の状態を、対応する筒内圧センサ６の出力信号に基づいて判定しているが、筒内圧センサ６の配置などにより、１つの筒内圧センサ６から、複数のインジェクタ４による噴射時ノイズ信号が出力されるような場合には、１つの筒内圧センサ６の出力信号に基づいて、複数のインジェクタ４の状態を判定してもよい。

さらに、実施形態では、インジェクタ４の状態を判定しているが、これに限定されない。例えば、吸排気弁の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構が設けられていて、吸排気弁の作動に起因する振動がシリンダヘッドを介して筒内圧センサに伝達され、感知されるような場合には、筒内圧センサから出力されるノイズ信号に基づき、実施形態と同様にして、可変バルブタイミング機構の状態を判定してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

さらに、本発明は、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。

本実施形態による制御装置を内燃機関とともに概略的に示す図である。 筒内圧センサの構成および取付状況を示す図である。 筒内圧センサの検出信号に対する補正処理を示すフローチャートである。 筒内圧変化量を用いて実行される制御処理を示すフローチャートである。 筒内圧センサの検出信号の波形と状態判定期間との関係などを示す図である。 インジェクタの状態判定処理を示すフローチャートである。 図６の処理によって得られる動作例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 判定装置
２ ＥＣＵ（インジェクタ駆動手段、状態判定手段）
３ エンジン
３ａ 気筒
３ｂ シリンダヘッド
４ インジェクタ
６ 筒内圧センサ
ＳＩＮＪ 駆動パルス信号（駆動信号）
ＤＰ 筒内圧変化量（筒内圧センサの出力信号）
ＣＡＲＥＦ 所定角度（所定期間）
ＤＰＭＡＸ 最大筒内圧変化量（出力信号のレベル）
ＣＡＰＥＡＫ ピーク時クランク角度（出力信号の発生タイミング）

Claims (3)

1. シリンダヘッドに設けられ、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
   当該インジェクタに駆動信号を出力することにより当該インジェクタを駆動するインジェクタ駆動手段と、
   前記シリンダヘッドに設けられ、前記気筒内の圧力を表す信号を出力する筒内圧センサと、
   前記駆動信号を出力した直後の所定期間内に出力された前記筒内圧センサの出力信号に基づいて、前記インジェクタの状態を判定する状態判定手段と、
   を備えることを特徴とするインジェクタの状態判定装置。
2. 前記状態判定手段は、前記筒内圧センサの出力信号のレベルに基づいて、前記インジェクタの故障を判定することを特徴とする、請求項１に記載のインジェクタの状態判定装置。
3. 前記状態判定手段は、前記筒内圧センサの出力信号の発生タイミングに基づいて、前記インジェクタの作動遅れを判定することを特徴とする、請求項１に記載のインジェクタの状態判定装置。
   

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