JP2016050563A - 燃料密度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密度センサを用いずに燃料密度の検出精度を向上させる技術を提供する。
【解決手段】燃料密度検出装置は、内燃機関に設けられた燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を検出する圧力センサのセンサ信号に基づいて、燃料圧力に生じる圧力脈動の脈動周波数または脈動周波数に対応する物理量を示す実特性として圧力脈動の波形を検出する（Ｓ４０４）。予め設定された基準脈動の基準周波数または基準周波数に対応する物理量を示す基準特性は記憶手段に記憶されており、燃料密度検出装置は記憶手段から基準特性として基準脈動の波形を取得する（Ｓ４０６）。燃料密度検出装置は、基準脈動の波形と圧力脈動の波形との位相差を算出し（Ｓ４０８）、燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を示す直線を決定するデータを取得すると（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、直線の傾きを算出し（Ｓ４１０）、直線の傾きから燃料密度を検出する（Ｓ４１２）。
【選択図】図６

Description

本発明は、密度センサを用いずに燃料密度を検出する技術に関する。

燃料の密度が異なると燃料の潤滑性、燃焼性が異なるので、燃料密度を検出し、燃料密度に応じたエンジン制御をすることが求められる。
特許文献１には、燃料噴射弁が燃料を噴射するときに発生する燃料圧力の圧力脈動の周期が燃料密度によって変化することが記載されている。したがって、圧力脈動の圧力の変化を圧力センサで検出し、圧力センサのセンサ信号に基づいて圧力脈動の周波数または周波数に関連する周期を含む物理量を実特性として検出すれば、密度センサを用いずに燃料密度を検出することができる。

特開２０１０−７１１８７号公報

圧力センサのセンサ信号に基づいて実特性を検出する場合、例えば、圧力脈動の波形のピークとピークとの長さに基づいて圧力脈動の周波数または周期を検出し、検出した圧力脈動の周波数または周期等の実特性に対応する燃料密度をマップ等から取得することが考えられる。

しかし、圧力センサのセンサ信号にノイズが混入するとピークの位置がずれるので、圧力脈動の実特性の検出精度が低下する。圧力センサが検出する圧力脈動の実特性だけに基づいて燃料密度を検出すると、圧力脈動の実特性の検出精度の低下が燃料密度の検出精度の低下を直接引き起こすという問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、密度センサを用いずに燃料密度の検出精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明の密度検出装置によると、脈動検出手段と、記憶手段と、密度検出手段と、を備えている。
脈動検出手段は、内燃機関に設けられた燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を検出する圧力センサのセンサ信号に基づいて、燃料圧力に生じる圧力脈動の脈動周波数または脈動周波数に対応する物理量を実特性として検出し、記憶手段は、予め設定された基準脈動の基準周波数または基準周波数に対応する物理量を基準特性として記憶している。

密度検出手段は、記憶手段に記憶されている基準特性と脈動検出手段が検出する実特性とのずれ量に基づいて燃料密度を検出する。
この構成によれば、圧力センサのセンサ信号にノイズが混入し脈動検出手段が検出する圧力脈動の実特性に誤差が生じても、基準脈動の基準特性と圧力脈動の実特性とのずれ量に基づいて燃料密度を検出するので、実特性の誤差が基準特性と実特性とのずれ量に与える影響は間接的になる。したがって、圧力脈動の実特性だけに基づいて燃料密度を検出する場合に比べ、燃料密度を検出する精度を向上できる。

ここで、基準脈動と圧力脈動との位相差は、圧力脈動が発生した直後は小さく、時間経過とともに大きくなる。したがって、基準特性と実特性とのずれ量として、圧力脈動が発生してから所定時間経過後の基準脈動と圧力脈動との位相差を検出すれば、基準脈動と圧力脈動との大きい位相差に基づいて燃料密度を高精度に検出できる。

尚、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

燃料密度検出装置を適用した燃料噴射システムを示すブロック図。 基準脈動と圧力脈動とのずれ量を示す波形図。 基準脈動と圧力脈動とのずれ部分を拡大した拡大図。 燃料密度が異なる各燃料における燃料圧力または燃料温度と、基準脈動と圧力脈動との位相差との関係を示す特性図。 高圧流路の機差における燃料圧力または燃料温度と、基準脈動と圧力脈動との位相差との関係を示す特性図。 燃料密度検出処理を示すフローチャート。

以下、本発明が適用された実施形態について図を用いて説明する。
［１．構成］
図１に示す燃料噴射システム１０は、例えば、自動車用の４気筒のディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」ともいう。）に燃料を噴射するためのものである。燃料噴射システム１０は、燃料供給ポンプ１４と、コモンレール２０と、燃料噴射弁３０と、電子制御装置(Electronic Control Unit：ＥＣＵ)４０とを備えている。

燃料供給ポンプ１４は、燃料タンク１２から燃料を汲み上げるフィードポンプを内蔵している。燃料供給ポンプ１４は、カムシャフトのカムの回転に伴いプランジャが往復移動することにより、フィードポンプから加圧室に吸入した燃料を加圧して圧送する公知のポンプである。

燃料供給ポンプ１４の燃料吐出量は、図示しない調量弁により調量される。調量弁は、電流制御されることにより、燃料供給ポンプ１４の各プランジャが吸入行程で吸入する燃料吸入量、あるいは燃料供給ポンプ１４の各プランジャが圧送行程で圧送する燃料圧送量を調量する。これにより、燃料供給ポンプ１４の各プランジャからの燃料吐出量が調量される。

コモンレール２０は、燃料供給ポンプ１４から吐出される燃料を蓄圧する中空の蓄圧管である。コモンレール２０に設置された減圧弁２２は、開弁することによりコモンレール２０内の燃料を低圧側に排出する電磁弁である。減圧弁２２が開弁駆動されてコモンレール２０内の燃料を排出することにより、コモンレール２０から燃料噴射弁３０に供給される燃料の圧力は低下する。

燃料噴射システム１０には、エンジン運転状態を検出するセンサとして、エンジン回転数（ＮＥ）を検出する回転数センサ、運転者によるアクセルペダルの操作量であるアクセル開度（ＡＣＣＰ）を検出するアクセルセンサ、冷却水の温度（水温）、吸入空気の温度（吸気温）をそれぞれ検出する温度センサ等が設けられている。

燃料噴射弁３０は、エンジンの各気筒に設置されており、コモンレール２０で蓄圧された燃料を気筒内に噴射する。燃料噴射弁３０は、例えば、噴孔を開閉するノズルニードルのリフトを制御室の圧力で制御する公知の噴射弁である。燃料噴射弁３０の噴射量は、ＥＣＵ４０から指令される噴射指令信号のパルス幅によって制御される。噴射指令信号のパルス幅が長くなると噴射量が増加する。

燃料噴射弁３０は圧力センサ３２を内蔵している。圧力センサ３２は、コモンレール２０から燃料噴射弁３０に供給される燃料圧力を検出する。
ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ４２、ＲＡＭ４４、ＲＯＭ４６、フラッシュメモリ４８等を備えるマイクロコンピュータにて主に構成されている。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭ４６またはフラッシュメモリ４８に記憶されている制御プログラムをＣＰＵ４２が実行することにより、圧力センサ３２を含む各種センサから取り込んだセンサ信号に基づき、燃料噴射システム１０の各種制御を実行する。

例えば、ＥＣＵ４０は、圧力センサ３２が検出する燃料圧力が目標圧力になるように燃料供給ポンプ１４の調量弁への通電量を制御し、燃料供給ポンプ１４の燃料吐出量を調量する。

また、ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁３０の燃料噴射量、燃料噴射時期、およびメイン噴射の前後にパイロット噴射、ポスト噴射等を実施する多段噴射のパターンを制御する。
ＥＣＵ４０は、燃料噴射弁３０に噴射を指令する噴射指令信号のパルス幅と噴射量との相関を示す噴射特性マップを、圧力センサ３２が検出する所定の圧力範囲毎にＲＯＭ４６またはフラッシュメモリ４８に記憶している。そして、ＥＣＵ４０は、エンジン回転数およびアクセル開度に基づいて燃料噴射弁３０の噴射量が決定されると、圧力センサ３２が検出した燃料圧力に応じて該当する圧力範囲の噴射特性マップを参照し、決定された噴射量を燃料噴射弁３０に指令する噴射指令信号のパルス幅を噴射特性マップから取得する。

燃料噴射弁３０に供給される燃料の粘度および燃焼性は燃料密度によって変化するので、ＥＣＵ４０は、燃料密度に基づいて各種エンジン制御を補正する。本実施形態では、後述するように、燃料密度を検出する密度センサを使用せずに燃料密度を検出する。

（圧力脈動）
次に、燃料噴射弁３０に供給される燃料に発生する圧力脈動について説明する。圧力脈動は、燃料噴射弁３０からの燃料噴射による燃料圧力の急激な変化により発生する。

図２の実線に示すように、燃料噴射弁３０が燃料を噴射すると燃料圧力が急激に変化し、圧力脈動２００が発生する。圧力脈動２００は時間経過とともに減衰する。
燃料噴射による実際の圧力脈動２００に対し、図２の点線は基準脈動２０２を示している。基準脈動２０２は、基準となる所定の燃料密度の燃料に発生する圧力脈動である。

ＥＣＵ４０は、ＲＯＭ４６またはフラッシュメモリ４８に、燃料圧力および燃料温度をパラメータに含む基準脈動２０２の減衰振動の方程式、あるいは燃料圧力および燃料温度に応じた基準脈動２０２の減衰振動の波形データを記憶している。記憶するデータ量の観点からは、減衰振動の方程式により基準脈動２０２を記憶する方が記憶量を低減できる。

図２の基準脈動２０２と圧力脈動２００との波形の時間軸上のずれ量である位相差は、同じ燃料圧力と燃料温度とにおいて、基準脈動２０２の燃料密度と圧力脈動２００を発生する燃料の燃料密度との差により生じる。圧力脈動２００と基準脈動２０２との位相差は、圧力脈動２００が発生してからの経過時間が長くなるにしたがい大きくなる。

ただし、経過時間が長くなると圧力脈動２００の振幅が減衰するので、基準脈動２０２と圧力脈動２００とのずれ量を検出することが困難になる。本実施形態では、圧力脈動２００が発生してから３〜４周期（期間１）経過後の１周期（期間２）の長さにおいて、基準脈動２０２と圧力脈動２００との位相差を検出する。期間１は、各燃料噴射システム１０に対する実験により予め設定される。

図３に示すように、ＥＣＵ４０は、基準脈動２０２と圧力脈動２００との位相差として、期間２における複数のタイミングについて基準脈動２０２と圧力脈動２００との位相差の平均値を算出する。ＥＣＵ４０は、最小二乗法により、基準脈動２０２に対して圧力脈動２００の時間軸上のずれ量が最小になるときの圧力脈動２００の移動量を、基準脈動２０２と圧力脈動２００との位相差として検出する。

図４は、燃料圧力または燃料温度の一方が変化せず他方が変化したときの、基準脈動２０２と圧力脈動２００との位相差（ΔＴ）の変化特性を示している。燃料密度が異なる燃料Ａ、Ｂ、Ｃについて、燃料圧力または燃料温度に対する位相差の上昇率は異なる。

通常、燃料圧力または燃料温度に対する位相差の上昇率は、燃料密度が高くなると小さくなり、燃料密度が低くなると大きくなる。
そこで、燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を直線で近似し、使用燃料について直線の傾きを検出すれば、使用燃料の燃料密度を検出できる。直線の傾きは、燃料密度が高くなると小さくなり、燃料密度が低くなると大きくなる。

直線の傾きに代えて、燃料圧力または燃料温度の所定の２点間における位相差の差に基づいて、使用燃料の燃料密度を検出してもよい。２点間における位相差の差は、燃料密度が高くなると小さくなり、燃料密度が低くなると大きくなる。

ここで、図５に示すように、同じ燃料密度であっても、コモンレール２０から燃料噴射弁３０に燃料を供給する高圧流路において、燃料噴射弁３０に燃料を供給する燃料配管の長さ、あるいはコモンレール２０の出口側に設けられたオリフィス径が機差Ａ、Ｂ、Ｃによってばらつくと、機差Ａ、Ｂ、Ｃによって位相差の大きさは変化する。例えば、燃料配管の長さが長くなると圧力脈動の周期が長くなるので、位相差は大きくなる。

しかし、燃料密度が同じであれば、機差Ａ、Ｂ、Ｃによって位相差はばらつくが、燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を示す直線の傾きは機差Ａ、Ｂ、Ｃによって変化しない。これは、燃料配管の長さまたはオリフィス径が機差Ａ、Ｂ、Ｃによってばらついても、同じ燃料密度であれば圧力脈動２００が燃料中を伝播する特性は変化しないからである。

したがって、燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を示す直線の傾き、あるいは燃料圧力または燃料温度の所定の２点間の位相差の大きさを検出することにより、機差Ａ、Ｂ、Ｃによるばらつきに影響されずに使用燃料の燃料密度を検出できる。

［２．処理］
ＥＣＵ４０が実行する燃料密度検出処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。燃料密度検出処理は、１燃焼サイクルに１回実行される。図６において「Ｓ」はステップを表わしている。

Ｓ４００においてＥＣＵ４０は、以下のいずれか一つの条件が成立すると、該当する噴射に基づいた燃料密度の検出処理の実行条件が成立していると判定する。
（１）単段噴射である。
（２）多段噴射の場合、１段目と２段目とのインターバル時間が十分に長い。この場合、１段目の噴射で燃料密度の検出処理を実行する。
（３）減速運転中に噴射量学習用に実行される単段噴射である。

燃料密度の検出処理の実行条件が成立すると（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、図４に示す燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を示す直線の傾きを決定するデータを取得済みであるか否かを判定する（Ｓ４０２）。直線の傾きを決定するためには、燃料圧力または燃料温度の一方が同じ状態で、他方の少なくとも異なる２点以上で位相差の検出データを取得していればよい。

直線の決定データを取得済みでない場合（Ｓ４０２：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は圧力センサ３２のセンサ信号から圧力脈動の波形を検出する（Ｓ４０４）。ＥＣＵ４０は、このときの燃料圧力と燃料温度とに対応する基準脈動の波形を、例えば減衰振動の方程式から取得する（Ｓ４０６）。

そして、圧量脈動が発生してから所定時間経過後、例えば３〜４周期経過後の圧力脈動の１周期において、図３に示すように複数のタイミングについて最小二乗法により位相差の平均を算出し（Ｓ４０８）、Ｓ４００に処理を戻す。

直線の決定データを取得済みの場合（Ｓ４０２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ４０は燃料圧力または燃料温度と位相差との関係を示す直線の傾きを算出する（Ｓ４１０）。ＥＣＵ４０は、直線の傾きと燃料密度との対応を示すマップをＲＯＭ４６またはフラッシュメモリ４８に記憶しており、このマップに基づいて直線の傾きから燃料密度を検出する（Ｓ４１２）。

燃料密度が所定値１よりも低い場合（Ｓ４１４：Ｙｅｓ）、燃料の粘度が低下し、燃料による潤滑性が低下するので、ＥＣＵ４０は低密度の燃料用に以下のエンジン制御処理を実行する（Ｓ４１６）。
（１）燃料供給ポンプ１４の吐出量を制御して燃料圧力の最高圧を通常時よりも低下させる。
（２）エンジンの最大回転数を通常時よりも低下させる。

所定値１＜所定値２である所定値２よりも燃料密度が高い場合（Ｓ４１８：Ｙｅｓ）、燃料の粘度が高く燃焼しにくくなるので、ＥＣＵ４０は高密度の燃料用に以下のエンジン制御処理を実行する（Ｓ４２０）。
（１）燃料噴射弁３０の噴射期間を通常時よりも長くする。
（２）噴射期間が長くなることに伴い多段噴射の段数を減らす。

燃料密度が所定値１以上で所定値２以下の場合（Ｓ４１６：Ｎｏ、Ｓ４１８：Ｎｏ）、ＥＣＵ４０は通常のエンジン制御処理を行う。
［３．効果］
以上説明した上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）圧力脈動が発生してから所定時間経過し、基準脈動の波形と圧力脈動の波形との時間軸上のずれが大きくなっている状態で基準脈動と圧力脈動との位相差を検出するので、位相差を高精度に検出できる。これにより、位相差に基づいて燃料密度を高精度に検出できる。
（２）圧力脈動が発生してから所定時間経過後の所定期間において、複数のタイミングについて基準脈動の波形と圧力脈動の波形との位相差の平均を検出するので、圧力センサ３２が検出する燃料圧力にノイズが混入しても、ノイズによる誤差を低減できる。これにより、位相差に基づいて燃料密度を高精度に検出できる。
（３）基準脈動の基準特性と圧力脈動の実特性とのずれ量である位相差に基づいて燃料密度を検出するので、機差による位相差のばらつきに影響されずに使用燃料の燃料密度を検出できる。

［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、以下の種々の形態を取り得る。

（１）上記実施形態では、基準脈動については基準周波数または基準周波数に対応する物理量である基準特性と、圧力脈動については脈動周波数または脈動周波数に対応する物理量である実特性とのずれ量として、基準脈動と圧力脈動との位相差に基づいて燃料密度を検出した。これに対し、基準特性と実特性とのずれ量として、周波数、周期等を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、燃料噴射弁３０に供給される燃料の圧力を、燃料噴射弁３０に内蔵した圧力センサ３２で検出した。これに対し、コモンレール２０に設置した圧力センサで燃料圧力を検出してもよい。

（３）上記実施形態では、コモンレール式のディーゼルエンジンに本発明の燃料密度検出装置を適用した。これ以外にも、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力に生じる圧力脈動を検出できるのであれば、ガソリンエンジンに本発明の燃料密度検出装置を適用してもよい。

（４）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。尚、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（５）上述した燃料密度検出装置の他、当該燃料密度検出装置を構成要素とする燃料噴射システム、当該燃料密度検出装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した記録媒体、燃料密度検出方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１０：燃料噴射システム、２０：コモンレール、３０：燃料噴射弁、３２：圧力センサ、４０：ＥＣＵ（燃料密度検出装置、脈動検出手段、記憶手段、密度検出手段、位相差検出手段）、４６：ＲＯＭ（記憶手段）、４８：フラッシュメモリ（記憶手段）

Claims (10)

1. 内燃機関に設けられた燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を検出する圧力センサ（３２）のセンサ信号に基づいて、燃料圧力に生じる圧力脈動の脈動周波数または前記脈動周波数に対応する物理量を実特性として検出する脈動検出手段（Ｓ４０４）と、
   予め設定された基準脈動の基準周波数または前記基準周波数に対応する物理量を基準特性として記憶している記憶手段（４６、４８）と、
   前記記憶手段に記憶されている前記基準特性と前記脈動検出手段が検出する前記実特性とのずれ量に基づいて燃料密度を検出する密度検出手段（Ｓ４１２）と、
   を備えることを特徴とする燃料密度検出装置（４０）。
2. 請求項１に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記ずれ量として、前記圧力脈動が発生してから所定時間経過後の前記基準脈動と前記圧力脈動との位相差を検出する位相差検出手段（Ｓ４０８）を備え、
   前記密度検出手段は、前記位相差検出手段が検出する前記位相差に基づいて前記燃料密度を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
3. 請求項２に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記位相差検出手段は、前記所定時間経過後の複数のタイミングについて前記基準脈動と前記圧力脈動との複数の位相差の平均値に基づいて前記位相差を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
4. 請求項３に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記位相差検出手段は、最小二乗法により前記平均値を算出して前記位相差を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記記憶手段は、前記基準特性として前記基準脈動の減衰振動の方程式を記憶しており、
   前記位相差検出手段は、前記記憶手段に記憶されている前記方程式が示す前記基準脈動の波形と、前記脈動検出手段が前記実特性として検出する前記圧力脈動の波形との前記位相差を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
6. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記記憶手段は、前記基準特性として前記基準脈動の波形を記憶しており、
   前記位相差検出手段は、前記記憶手段に記憶されている前記基準脈動の波形と、前記脈動検出手段が前記実特性として検出する前記圧力脈動の波形との前記位相差を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記記憶手段は、前記燃料圧力および燃料温度の少なくとも一方に対応する前記基準特性を記憶しており、
   前記密度検出手段は、前記脈動検出手段が前記実特性を検出するときの前記燃料圧力および前記燃料温度に対応する前記記憶手段に記憶されている前記基準特性と前記実特性との前記ずれ量に基づいて前記燃料密度を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
8. 請求項７に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記密度検出手段は、前記燃料圧力または前記燃料温度の変化に対応して変化する前記ずれ量の変化特性に基づいて前記燃料密度を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
9. 請求項８に記載の燃料密度検出装置であって、
   前記密度検出手段は、前記変化特性を直線で近似し、前記直線の傾きに基づいて前記燃料密度を検出する、
   ことを特徴とする燃料密度検出装置。
10. 請求項８に記載の燃料密度検出装置であって、
    前記密度検出手段は、前記変化特性において前記燃料圧力または前記燃料温度の異なる２点における前記ずれ量の差に基づいて前記燃料密度を検出する、
    ことを特徴とする燃料密度検出装置。

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