JP5126295B2 - 燃料噴射状態検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁から燃料を噴射させることに伴い生じる燃料圧力の変化を燃圧センサで検出し、検出した圧力波形に基づき燃料噴射状態を推定する燃料噴射状態検出装置に関する。
内燃機関の出力トルク及びエミッション状態を精度良く制御するには、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の噴射量及び噴射開始時期等、その噴射状態を精度良く制御することが重要である。そこで特許文献1,2等には、噴孔に至るまでの燃料供給経路内で噴射に伴い生じる燃料圧力の変化を燃圧センサで検出することで、実際の噴射状態(噴射開始時期や噴射量等)を検出する技術が開示されている。このように実際の噴射状態を検出できれば、その検出結果に基づき噴射状態を精度良く制御することができる。
例えば特許文献2には、燃圧センサにより検出される圧力波形(検出波形)を取得し、その検出波形中に現れる変化点P3,P4,P7,P8(図4(c)参照)を検出し、これらの変化点P3,P4,P7,P8の出現時期及び圧力値に基づき、実際の噴射状態(噴射開始時期R3、噴射終了時期R8、噴射量Q等)を算出している。具体的には、検出波形中の都度の圧力値を微分し、その微分値が所定以上となっている点を変化点P3,P4,P7,P8として検出している。
特開2010−3004号公報 特開2009−57924号公報
しかしながら、燃圧センサによる検出波形は、噴射以外の各種影響を受けて変形した形状になっていることが、本発明者らが実施した各種試験により明らかとなった。
すなわち、実際の噴射率(単位時間当たりに噴射される量)は、噴射開始直後には上昇していき、最大噴射率に達してからはその最大噴射率が維持される(図4(b)参照)。したがって、検出波形は、噴射開始に伴い圧力が下降していき、圧力下降ピークに達してからはそのピーク値が維持されると当初では想定していた。しかし、実際に検出波形W(図4(c)参照)を試験により取得してみると、最大噴射率に達したことに伴い変化点P4が現れるものの、その変化点P4に達した直後の圧力は、一点鎖線Pmに示すように脈動しながら低下していく。要するに、検出波形Wは、図4(c)中の二点鎖線に示す如く噴射率変化をそのまま現している訳ではなく、噴射以外の影響による脈動Pmが検出波形Wには現れてしまう。
このような現象が生じるメカニズムを本発明者らは次のように考察した。燃料噴射を開始することに伴い噴孔で燃圧低下が生じると、その燃圧低下が燃料供給経路内を上流側へ伝播していき、燃圧センサの検出圧力は低下していく。そして、最大噴射率に達した時点では、噴孔の開口面積(しぼり流量)等により噴射量が制限される状態へと変化する。すると、噴孔近傍部分にて部分的に燃料が圧縮されて圧力上昇し、その波動が燃圧センサにまで伝播されることにより、検出波形W中に上述した脈動Pmが現れてしまう。
また、このような波動の伝播による影響の他にも、燃圧センサの検出ノイズや電気ノイズ等の影響を検出波形Wは受けている。
以上により、噴射以外の各種影響を受けている検出波形Wを上述の如く微分演算して変化点P3,P4,P7,P8を検出しようとすると、その検出精度を十分に確保できず、ロバスト性が低い。よって、これらの変化点からは実際の噴射状態を高精度で検出できない。
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、その目的は、実際の噴射状態を高精度で検出可能な燃料噴射状態検出装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
第1の発明では、内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁と、前記噴孔から燃料を噴射させることに伴い前記噴孔に至るまでの燃料供給経路内で生じる燃料圧力の変化を検出する燃圧センサと、を備えた燃料噴射システムに適用されることを前提とする。
そして、前記噴孔を開閉作動させた時に前記燃圧センサにより検出される圧力波形の規範となる波形であって、前記噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形が予め記憶されたモデル波形記憶手段と、前記複数種類のモデル波形の中から、前記燃圧センサにより検出された検出波形に最も類似するモデル波形を選択するモデル波形選択手段と、前記モデル波形選択手段により選択されたモデル波形に基づき、前記噴孔からの燃料噴射状態を推定する噴射状態推定手段と、を備えることを特徴とする。
上記発明は要するに、噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形を予め記憶させておき、これらのモデル波形の中から検出波形に最も類似するモデル波形を選択し、その選択したモデル波形に基づき実際の噴射状態を推定する。これによれば、上述した脈動Pmやノイズ等の噴射以外の影響が除外されたモデル波形に基づき噴射状態を推定するので、実際の噴射状態を高精度で検出(推定)できる。
第2の発明では、前記複数種類のモデル波形には、台形形状の台形モデル波形が含まれていることを特徴とする。
ここで、最大噴射率に達した以降はその最大噴射率は維持される筈であるため、噴射率の波形は台形形状になる(図4(b)参照)。したがって、上述した脈動Pmを検出波形Wから除外すれば、その除外後の検出波形は図4(c)中の二点鎖線に示す如く台形形状になる筈である。この点を鑑みた上記発明によれば、実際の噴射率変化(噴射状態)と相関の高い台形モデル波形をモデル波形記憶手段に記憶させておき、その台形モデル波形に基づき噴射状態を推定するので、噴射状態の検出精度を向上できる。
第3の発明では、前記複数種類のモデル波形には、燃料噴射量が所定量以上であることを想定した前記台形モデル波形に加え、燃料噴射量が所定量未満であることを想定した三角形状の三角形モデル波形が含まれていることを特徴とする。
ここで、最大噴射率に達した以降はその最大噴射率が維持される状態となることを想定して、上記第2の発明では台形モデル波形を記憶させているが、噴孔の開弁時間が短く最大噴射率に達する前に閉弁作動を開始させた場合には、噴射開始とともに上昇した噴射率は、噴射率ピーク値が維持されることなく下降していく。そのため、この場合の噴射率波形は台形ではなく三角形になるので、小噴射時の噴射率波形と相関の高い検出波形は三角形になる。
この点を鑑みた上記発明によれば、台形モデル波形及び三角形モデル波形の両方をモデル波形記憶手段に記憶させておくので、小噴射時であっても三角形モデル波形に基づき噴射状態を推定するので、噴射状態の検出精度を向上できる。
第4の発明では、前記燃料噴射弁へ出力した噴射量指令信号に基づき、前記検出波形が前記台形モデル波形及び前記三角形モデル波形のいずれに類似するかを選別する噴射量選別手段を備え、前記モデル波形選択手段は、前記噴射量選別手段により選別されたモデル波形の中から、前記検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする。
上記発明によれば、モデル波形選択手段による選択を、噴射量選別手段により選別されたモデル波形を対象に実施すればよいので、台形モデル波形及び三角形モデル波形の全てを対象とする場合に比べて、モデル波形選択手段による選択処理の負荷軽減を図ることができる。
第5の発明では、前記複数種類のモデル波形には、前記燃料噴射弁へ出力した噴射量指令信号に対する実際の噴射量が所定量以上少なくなっている異常状態である場合を想定した異常時用モデル波形と、前記異常状態でない場合を想定した通常時用モデル波形と、が含まれていることを特徴とする。
ここで、噴孔に異物が付着する等に起因して、噴射量指令信号に対する実際の噴射量が所定量以上少なくなる場合がある。この場合の噴射率波形は最大噴射率が低下した形状になる。この点を鑑みた上記発明によれば、通常時用モデル波形に加え、異常状態である場合を想定した異常時用モデル波形をモデル波形記憶手段に記憶させておくので、異常状態時であっても異常時用モデル波形に基づき噴射状態を推定するので、噴射状態の検出精度を向上できる。
第6の発明では、前記異常状態の発生有無に基づき、前記検出波形が前記異常時用モデル波形及び前記通常時用モデル波形のいずれに類似するかを選別する異常選別手段を備え、前記モデル波形選択手段は、前記異常選別手段により選別されたモデル波形の中から、前記検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする。
上記発明によれば、モデル波形選択手段による選択を、異常選別手段により選別されたモデル波形を対象に実施すればよいので、通常時用モデル波形及び異常時用モデル波形の全てを対象とする場合に比べて、モデル波形選択手段による選択処理の負荷軽減を図ることができる。
第7の発明では、前記異常選別手段は、前記噴射量指令信号に基づき異常判定値を算出し、噴射に伴い生じた圧力の最大降下量を前記検出波形に基づき算出し、前記最大降下量が前記異常判定値未満である場合に前記異常状態が発生していると判定して前記異常時用モデル波形を選別することを特徴とする。
ここで、噴射量指令信号による指令噴射期間と、噴射に伴い生じた圧力の最大降下量とは相関が高い。例えば、指令噴射期間が所定長さ未満であれば、指令噴射期間が短いほど最大降下量は少なくなる。したがって、噴射量指令信号に基づけば概略の最大降下量(見込み降下量)を推定できる。一方、検出波形から算出される実際の最大降下量が、前記見込み降下量に比べて少なければ、噴孔詰まり等により実噴射量が異常に少なくなっている異常状態であるとみなすことができる。
この点を鑑みた上記発明では、噴射量指令信号に基づき異常判定値を算出し、検出波形から算出した最大降下量が異常判定値未満である場合に異常状態が発生していると判定するので、この異常判定値を見込み降下量と同等又はそれ以下に設定すれば、異常状態発生有無の判定を簡素な処理で実現できる。
第8の発明では、前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、前記ずれ量算出手段は、噴射開始指令信号又は噴射終了指令信号を前記燃料噴射弁へ出力した時点から所定時間が経過した時点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする。
上記発明に反し、基準点を合わせることなく1つのモデル波形について幾通りもの位相についてずれ量を算出し、それらのずれ量の最小値をそのモデル波形のずれ量とする場合には、ずれ量算出手段による算出処理の負荷が膨大となる。これに対し上記発明では、基準点を合わせて位相を関連付けした状態でずれ量を算出するので、1つのモデル波形についてずれ量を1回算出すれば済む。よって、ずれ量算出手段による選択処理の負荷軽減を図ることができる。
また、噴射開始指令信号又は噴射終了指令信号は、噴射率波形の位相との相関性が高い上に、モデル波形の位相との相関性も高い。この点を鑑みた上記発明によれば、噴射開始指令信号又は噴射終了指令信号を出力してから所定時間が経過した時点にモデル波形の基準点を合わせることにより、検出波形の位相とモデル波形の位相を関連付けているので、処理負荷の膨大化を招くことなく前記ずれ量を算出できる。
第9の発明では、前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、前記ずれ量算出手段は、前記検出波形に現れる所定の変化点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする。
上記発明においても上記第8の発明と同様にして、基準点を合わせて位相を関連付けした状態でずれ量を算出するので、1つのモデル波形についてずれ量を1回算出すれば済む。よって、ずれ量算出手段による選択処理の負荷軽減を図ることができる。
また、検出波形に現れる所定の変化点(図4(c)に例示される変化点P1〜P8等)が出現するタイミングと、噴射率波形の変化点(図4(b)に例示される変化点R3,R4,R7,R8等)が出現するタイミングとの相関性は高い。この点を鑑みた上記発明によれば、検出波形に現れる所定の変化点にモデル波形の基準点を合わせることにより、検出波形の位相とモデル波形の位相を関連付けているので、処理負荷の膨大化を招くことなく前記ずれ量を算出できる。
第10の発明では、燃料噴射以外の影響による波形である補正波形が予め記憶された補正波形記憶手段と、前記検出波形を前記補正波形に基づき補正する補正手段と、を備え、前記モデル波形選択手段は、前記補正手段により補正された検出波形を用いて、当該検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする。
例えばモデル波形と検出波形とのずれ量を算出する場合において、上記補正を実施しなければ、算出したずれ量の値は、上述した脈動Pmに起因したずれ量が支配的となる。これに対し、上記発明の補正を実施すれば、脈動Pmによる波形成分が除外された検出波形についてモデル波形とのずれ量が算出されるので、実際の噴射率波形と相関の高いモデル波形をモデル波形選択手段が選択するよう、その選択精度を向上できる。
本発明の第1実施形態にかかる燃圧波形取得装置が適用された、燃料噴射システムの概略を示す構成図。 図1のシステムに係る燃料噴射制御処理の基本的な手順を示すフローチャート。 図1の燃圧センサの検出圧力に基づき燃料噴射状態を検出する処理の手順を示すフローチャート。 図1の燃圧センサによる検出圧力の波形と実際の噴射率の波形との関係を示すタイミングチャート。 図4の選択処理で用いる複数種類のモデル波形を示す図。 図4で実施する処理であって、複数のモデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形がいずれであるかを選択する処理の詳細を説明する図。 本発明の第2実施形態において、補正波形Maを用いて検出波形Wを補正する処理内容を説明する図。 本発明の第3実施形態において、燃圧センサの検出圧力に基づき燃料噴射状態を検出する処理の手順を示すフローチャート。
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
(第1実施形態)
本実施形態の燃料噴射状態検出装置は、車両用のエンジン(内燃機関)に搭載されたものであり、当該エンジンには、複数の気筒#1〜#4について高圧燃料を噴射して圧縮自着火燃焼させるディーゼルエンジンを想定している。
図1は、上記エンジンの各気筒に搭載された燃料噴射弁10、燃料噴射弁10に搭載された燃圧センサ20、車両に搭載された電子制御装置であるECU30、等を示す模式図である。燃料噴射弁10を含むエンジンの燃料噴射システムでは、燃料タンク40内の燃料は、高圧ポンプ41によりコモンレール42(蓄圧容器)に圧送されて蓄圧され、高圧配管43を通じて各気筒の燃料噴射弁10へ分配供給される。
燃料噴射弁10は、以下に説明するボデー11、ニードル12(弁体)及び電磁ソレノイド13(アクチュエータ)等を備えて構成されている。ボデー11の内部には高圧通路11aが形成されており、コモンレール42から燃料噴射弁10へ供給される燃料は、高圧通路11aを通じて噴孔11bから噴射される。また、高圧通路11a内の燃料の一部は、ボデー11内部に形成された背圧室11cへ流通する。背圧室11cのリーク孔11dは制御弁14により開閉され、その制御弁14は電磁ソレノイド13により開閉作動する。ニードル12には、スプリング15の弾性力及び背圧室11cの燃料圧力が閉弁側へ付与されるとともに、高圧通路11aに形成された燃料溜まり部11fの燃料圧力が開弁側へ付与される。
コモンレール42から噴孔11bに至るまでの燃料供給経路(例えば高圧配管43又は高圧通路11a)には、燃料圧力を検出する燃圧センサ20が取り付けられている。図1の例では、高圧配管43とボデー11との接続部分に取り付けられている。或いは、図1中の一点鎖線に示すようにボデー11に取り付けてもよい。また、燃圧センサ20は、複数の燃料噴射弁10(#1)〜(#4)の各々に対して設けられている。
次に、上記構成による燃料噴射弁10の作動を説明する。電磁ソレノイド13へ通電していない時には、制御弁14はスプリング16の弾性力により閉弁作動する。すると、背圧室11c内の燃料圧力が上昇してニードル12は閉弁作動し、噴孔11bからの燃料噴射が停止されることとなる。一方、電磁ソレノイド13へ通電すると、制御弁14はスプリング16の弾性力に抗して開弁作動する。すると、背圧室11c内の燃料圧力が下降してニードル12は開弁作動し、噴孔11bから燃料が噴射されることとなる。
ちなみに、電磁ソレノイド13へ通電して燃料噴射させている時には、高圧通路11aから背圧室11cへ流入した燃料はリーク孔11dから11eへ排出される(リークする)。つまり、燃料の噴射期間中には、高圧通路11aの燃料は、背圧室11cを通じて低圧通路11eへ常時リークすることとなる。
ECU30は、電磁ソレノイド13の駆動を制御することで、ニードル12の開閉作動を制御して噴射状態を制御する。例えば、エンジン出力軸の回転速度及びエンジン負荷等に基づき、噴射開始時期、噴射終了時期及び噴射量等の目標噴射態様を算出し、その目標噴射態様となるよう、電磁ソレノイド13の駆動を制御する。
次に、ECU30が電磁ソレノイド13の駆動を制御することで燃料噴射状態を制御する手順について、図2のフローチャートを参照しつつ説明する。
図2の処理においては、まずステップS11で、エンジン運転状態を表す所定のパラメータ、例えばその時のエンジン回転速度、エンジン負荷、燃料噴射弁10へ供給される燃料の圧力等を読み込む。
続くステップS12では、上記ステップS11で読み込んだ各種パラメータに基づいて噴射パターンを設定する。例えば、各種パラメータに応じた最適な噴射パターンを噴射制御用マップ等に予め記憶させておき、ステップS11で読み込んだパラメータに基づき、前記マップを参照して最適な目標噴射パターンを設定する。なお、目標噴射パターンは、例えば噴射段数(1燃焼サイクル中の噴射回数)、噴射開始時期、噴射時間(噴射量に相当)等のパラメータにより定められるものである。こうして、上記噴射制御用マップは、それらパラメータと最適噴射パターンとの関係を示すものとなっている。
続くステップS13では、ステップS12で設定された目標噴射パターンに基づき、燃料噴射弁10の電磁ソレノイド13へ噴射指令信号を出力する。これにより、ステップS11で取得した各種パラメータ(エンジン運転状態)に応じた最適な噴射パターンとなるよう、燃料噴射制御される。
但し、燃料噴射弁10の経年劣化や燃料噴射弁10の機差ばらつき等が原因で、噴孔11bから噴射される実際の噴射パターンは目標噴射パターンからずれることが懸念される。この懸念に対し、燃圧センサ20の検出値に基づけば、後述する手法により実際の噴射パターン(実噴射状態)を検出できるので、その検出した実噴射パターンを目標噴射パターンに一致させるように噴射指令信号を補正する。また、その補正内容を学習して、次回の噴射指令信号の算出にその学習値を用いる。
次に、燃圧センサ20の検出値に基づき実噴射状態を検出(算出)する処理について、図3を用いて説明する。
図3に示す一連の処理は、所定周期(例えば先述のCPUが行う演算周期)又は所定のクランク角度毎に、ECU30のマイコンにより実行される。先ずステップS10で、燃圧センサ20の出力値(検出圧力)を取り込む。この取り込み処理は複数の燃圧センサ20の各々について実行される。また、取り込んだ検出圧力に対し、高周波ノイズ等を除去するフィルタ処理を施すことが望ましい。
以下、ステップS10の取り込み処理について、図4を用いて詳細に説明する。
図4(a)は、図3のステップS13にて燃料噴射弁10に出力される噴射指令信号を示しており、この指令信号のパルスオンにより電磁ソレノイド13が作動して噴孔11bが開弁する。つまり、噴射指令信号のパルスオン時期Isにより噴射開始が指令され、パルスオフ時期Ieにより噴射終了が指令される。よって、指令信号のパルスオン期間(噴射指令期間)により噴孔11bの開弁時間Tqを制御することで、噴射量Qを制御している。図4(b)は、上記噴射指令に伴い生じる噴孔11bからの燃料噴射率の変化(推移)を示し、図4(c)は、噴射率の変化に伴い生じる燃圧センサ20の出力値(検出圧力)の変化(圧力波形)を示す。なお、図4は噴孔11bを1回開閉させた場合の各種変化の一例である。
そしてECU30は、図3の処理とは別のサブルーチン処理により、燃圧センサ20の出力値を検出しており、そのサブルーチン処理では燃圧センサ20の出力値を、該センサ出力で圧力推移波形の軌跡(図4(c)にて例示される軌跡)が描かれる程度に短い間隔(図3の処理周期よりも短い間隔)にて逐次取得している。具体的には、50μsecよりも短い間隔(より望ましくは20μsec)でセンサ出力を逐次取得し、このように逐次取得した値を上記ステップS10では取り込んでいる。
燃圧センサ20により検出される圧力波形と噴射率の変化とは以下に説明する相関がある。図4(b)に示す噴射率の変化について説明すると、先ず、符号Isの時点で電磁ソレノイド13への通電を開始した後、噴孔11bから燃料が噴射開始されることに伴い、噴射率は変化点R3にて上昇を開始する。つまり実際の噴射が開始される。その後、変化点R4にて最大噴射率に到達し、噴射率の上昇は停止する。これは、R3の時点でニードル弁20cがリフトアップを開始してR4の時点でリフトアップ量が最大になったことに起因する。
次に、符号Ieの時点で電磁ソレノイド13への通電を遮断した後、変化点R7にて噴射率は下降を開始する。その後、変化点R8にて噴射率はゼロとなり、実際の噴射が終了する。これは、R7の時点でニードル弁20cがリフトダウンを開始し、R8の時点で完全にリフトダウンして噴孔11bが閉弁されたことに起因する。
図4(c)に示す燃圧センサ20の検出圧力の変化について説明すると、変化点P1以前の圧力P0は噴射指令開始時点Isでの燃料供給圧力であり、先ず、駆動電流が電磁ソレノイド13に流れた後、噴射率がR3の時点で上昇を開始する前に、検出圧力は変化点P1にて下降する。これは、P1の時点で制御弁14がリーク孔11dを開放し、背圧室11cが減圧処理されることに起因する。その後、背圧室11cが十分に減圧された時点で、変化点P2にてP1からの下降が一旦停止する。これは、リーク孔11dが完全に開放されたことで、リーク量がリーク孔11dの径に依存して一定となることに起因する。
次に、R3の時点で噴射率が上昇を開始したことに伴い、検出圧力は変化点P3にて下降を開始する。その後、R4の時点で噴射率が最大噴射率に到達したことに伴い、検出圧力の下降は変化点P4にて停止する。なお、変化点P3からP4までの降下量は、P1からP2までの降下量に比べて大きい。
次に、検出圧力は変化点P5にて上昇する。これは、P5の時点で制御弁14がリーク孔11dを閉塞し、背圧室11cが増圧処理されることに起因する。その後、背圧室11cが十分に増圧された時点で、変化点P6にてP5からの上昇が一旦停止する。また、変化点P5,P6が現れる原因には、このような背圧室11cでの燃圧変化の他に、最大噴射率に達した時に噴孔11b近傍で生じた波動に起因した先述の脈動Pmも挙げられる。
次に、R7の時点で噴射率が下降を開始したことに伴い、検出圧力は変化点P7にて上昇を開始する。その後、R8の時点で噴射率がゼロになり実際の噴射が終了したことに伴い、検出圧力の上昇は変化点P8にて停止する。なお、変化点P7から変化点P8までの上昇量はP5からP6までの上昇量に比べて大きい。P8以降の検出圧力は、一定の周期で下降と上昇を繰り返しながら減衰する。
以上により、燃圧センサ20による検出波形W中に現れる変化点P3,P4,P7,P8と、噴射率の上昇開始時点R3(実噴射開始時期)、最大噴射率到達時点R4、噴射率下降開始時点R7及び下降終了時点R8(実噴射終了時期)とは相関があると言える。
また、検出圧力の変化点P3からP4までの圧力下降率Pαと、噴射率の変化点R3からR4までの噴射率上昇率Rαとは相関がある。変化点P7からP8までの圧力上昇率Pγと変化点R7からR8までの噴射率下降率Rγとは相関がある。変化点P3からP4までの圧力降下量Pβ(最大圧力降下量)と変化点R3からR4までの噴射率上昇量Rβ(最大噴射率)とは相関がある。さらに、実噴射開始から終了までの噴射率の積分値(斜線を付した符号Sに示す部分の面積)は噴射量Qに相当する。そして、検出波形Wのうち実噴射開始から終了までの噴射率変化に対応する部分(変化点P3〜P8の部分)の圧力の積分値と噴射率の積分値Sとは相関がある。
図3の説明に戻り、先述のステップS10に続く以降のステップS20〜S40では、噴射指令信号により指令された噴射量(開弁時間Tqに相当)に対し、噴孔11bの目詰まり等に起因して実際の噴射量が異常に少なくなっている異常状態であるか否かを判定する。
具体的には、先ずステップS20において、検出波形Wの高さ(最大降下量)を、判定用圧力降下量ΔPとして算出する。例えば、噴射開始指令信号Isを出力した時点から所定時間内における最小値P4を取得し、噴射開始指令信号Isを出力した時点での圧力P0から前記最小値P4を減算して得られた値ΔP2+Pβを判定用圧力降下量ΔPとすればよい。ここで、P1−P4や、P2−P4、P3−P4等を判定用圧力降下量ΔPとしてもよいが、この場合には検出波形Wを微分演算することによる変化点P1,P2,P3の検出処理が必要となる。これに対し、ΔP2+Pβ(=P0−P4)を判定用圧力降下量ΔPとする本実施形態によれば、微分演算を要することなく判定用圧力降下量ΔPを算出できる。
続くステップS30では、噴射指令信号により指令される開弁時間に相当する指令噴射量Tqに基づき、異常判定値THpを算出する。続くステップS40(異常選別手段)では、ステップS20で算出した降下量ΔPとステップS30で算出した異常判定値THpとを大小比較し、ΔP≧THpであれば正常であると判定してステップS50に進み、ΔP<THpであれば異常であると判定してステップS60に進む。
ここで、ECU30が有するメモリ31(モデル波形記憶手段)には、図5に例示する複数種類のモデル波形が予め記憶されている。これらのモデル波形は、噴孔11bからの燃料噴射状態を表した、検出波形Wの規範となる波形である。また、これらのモデル波形は、噴射以外の影響による波形成分(例えば先述の脈動Pm)は除外されている。したがって、モデル波形の形状は、基本的には図5(a)(b)に示す如く台形に設定されている。
但し、噴射量が所定量未満である場合には、ニードル12が開弁作動を開始した後、最大リフト位置に達する前に閉弁作動を開始するので、噴射開始に伴い上昇する噴射率は、最大噴射率に達する前に下降を開始する。したがって、小噴射量の場合には噴射率の波形は三角形になるので、小噴射時用のモデル波形の形状は、図5(c)(d)に示す如く三角形に設定されている。
また、先述の如く噴射量が異常状態になった場合には噴射率が低下するので、このような異常状態が発生している時用のモデル波形の形状は、図5(b)(d)に示す如く通常時に比べて高さが低い台形又は三角形に設定されている。
これらのモデル波形は、例えば噴射開始時期R3、噴射終了時期R8、最大噴射率到達時期R4、噴射率下降開始時期R7、最大噴射率Rβ、噴射量Q等の噴射状態を表していると言える。メモリ31には、複数種類のモデル波形の各々に対応した噴射状態の値R3,R8,R4,R7,Rβ,Qが、モデル波形に関連付けて記憶されている。
続くステップS50(モデル波形選択手段)では、図5(a)(c)に示す複数の通常時用モデル波形の中から、その波形の形状が検出波形Wに最も類似するものがいずれであるかを選択する。この選択手法について図6を参照しつつ以下に説明する。図6(c)中の実線は、図6(a)に示す噴射指令信号を出力した場合の検出波形Wを示す。したがって、噴射指令信号の出力タイミングと検出波形Wの位相とは関連付けられている。そして、図6(c)中の点線は検出波形Wに合わせ込んで関連付けた状態のモデル波形Mを示す。
モデル波形Mを関連付けする手法について、詳細に説明すると、例えば、噴射開始指令信号の出力時期(噴射指令開始時点Is)から所定時間Tdel(応答遅れ時間)が経過した時点に、モデル波形Mの圧力低下開始ポイントM3(基準点)を一致させる。これにより、モデル波形Mの位相が検出波形Wの位相に関連付けられる。
上記手法の変形例を以下に列挙する。例えば、噴射終了指令信号の出力時期(噴射指令終了時点Ie)から所定時間(応答遅れ時間)が経過した時点に、モデル波形Mの圧力上昇開始ポイントM7(基準点)を一致させる。例えば、検出波形Wに現れる所定の変化点P3,P4,P7,P8のいずれか1点を微分演算等により検出し、検出した変化点にモデル波形Mの基準点M3,M4,M7,M8を一致させる。
次に、以上の如く関連付けされたモデル波形Mと検出波形Wとのずれ量を、ECU30(ずれ量算出手段)は演算する。例えば、所定位相毎におけるモデル波形Mと検出波形Wとの圧力差を算出し、その圧力差の総和をずれ量として演算すればよい。そして、以上の関連付け及びずれ量演算を、複数の通常時用モデル波形について実施し、ずれ量が最も小さいモデル波形を「検出波形Wに最も類似するモデル波形M」であるとして選択する。
一方、ステップS60(モデル波形選択手段)では、図5(b)(d)に示す複数の異常時用モデル波形の中から、検出波形Wに最も類似する波形がいずれであるかを選択する。この選択手法はステップS50と同じである。図6(b)は、図6(c)に示すモデル波形Mに対応する噴射率変化の波形であり、続くステップS70では、ステップS50又はステップS60で選択したモデル波形Mに対応する噴射率変化を実際の噴射状態であるとみなして取得する。
より詳細に説明すると、先述した通りメモリ31には、複数種類のモデル波形の各々に対応した噴射状態の値R3,R8,R4,R7,Rβ,Qが、モデル波形に関連付けて記憶されている。上記ステップS70では、選択したモデル波形Mに対応する噴射状態の値R3,R8,R4,R7,Rβ,Qをメモリ31から読み出して、実噴射状態を表す値として取得する。特に実噴射開始時期R3、実噴射終了時期R8及び実噴射量Qは噴射状態を表す値として重要であり、これらの値に基づき、目標噴射パターンに対する噴射指令信号の補正や学習を実施すれば、実噴射パターンを目標噴射パターンに一致させる制御の精度を向上できる。
以上により、本実施形態によれば、複数種類のモデル波形を予め記憶させておき、これらのモデル波形の中から検出波形Wに最も類似するモデル波形を選択し、その選択したモデル波形に基づき実際の噴射状態を推定する。これによれば、噴射以外の影響(例えば図4の一点鎖線に示す脈動Pmやノイズ等の影響)が除外されたモデル波形に基づき噴射状態R3,R8,Qを推定するので、実際の噴射状態を高精度で検出(推定)できる。
また、噴射以外の影響による脈動Pmの波形を除外すると、燃料圧力の波形は台形又は三角形になる筈である。この点を鑑みた本実施形態ではモデル波形を台形及び三角形に設定しているので、噴射状態の検出精度を向上できる。
また、噴孔詰まり等に起因した異常状態が生じると噴射率が低下するので、このような異常状態時用のモデル波形の形状を、通常時用のモデル波形とは別に記憶させている。よって、異常状態が生じた場合であっても噴射状態の検出精度を十分に確保できる。しかも、異常状態を検出した場合には、複数種類のモデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形を選択する処理を実施するにあたり、異常時用モデル波形を選択対象とし、通常時用モデル波形は選択対象外とするので、ECU30による選択処理の負荷を軽減できる。
(第2実施形態)
本実施形態では、メモリ31(補正波形記憶手段)に、燃料噴射以外の影響による波形である補正波形Ma(図7(b)参照)が予め記憶されている。そして、上記第1実施形態のステップS50,S60では検出波形Wとモデル波形とのずれ量を算出している選択処理を実施しているのに対し、本実施形態のECU30(補正手段)は、検出波形W(図7(a)参照)を補正波形Maに基づき補正し、補正後の検出波形Wa(図7(c)参照)とモデル波形とのずれ量を算出して、補正後の検出波形Waに最も類似するモデル波形を選択する。
図7(b)の例では、図4(c)に示す脈動Pmを想定した波形を補正波形Maとして設定している。そして、検出波形Wから補正波形Maを減算して補正している。なお、本実施形態によるECU30の処理内容は、ステップS50,S60以外については、図3に示す上記第1実施形態と同様である。
以上により、本実施形態によれば、補正後の検出波形Waは脈動Pmの影響が除外された波形に近づく(より一層類似する)こととなる。そして、このように噴射以外の影響による波形成分が除去された検出波形Waを用いてモデル波形を選択するので、実際の噴射率波形(噴射状態)と相関の高いモデル波形を選択するよう、その選択精度を向上できる。よって、実噴射状態R3,R8,Qの推定(検出)精度を向上できる。
(第3実施形態)
図8は、本実施形態による実噴射状態の検出処理手順を示すフローチャートであり、図3のフローチャートとの相違点について主に説明する。なお、図8中、図3と同じ処理内容のステップについては、同一符号を付してその説明を援用する。
図8の処理では、先ずステップS10で燃圧センサ20の出力値(検出圧力)を取り込んで検出波形Wを取得し、続くステップS20,S30,S40により噴孔詰まり等の異常状態発生有無を検出する。
続くステップS41(噴射量選別手段)及びステップS42(噴射量選別手段)では、ECU30から燃料噴射弁10へ出力される噴射指令信号(噴射量指令信号)が、所定量未満の小噴射を指令する内容であるか否かを判定する。具体的には指令噴射量に相当する開弁時間Tqが、予め設定された閾値THQ未満であれば小噴射であると判定する。
そして、正常判定された場合(S40:YES)において、小噴射でないと判定された場合(S41:YES)にはステップS51に進み、小噴射であると判定された場合(S41:NO)にはステップS52に進む。一方、異常判定された場合(S40:NO)において、小噴射でないと判定された場合(S42:YES)にはステップS61に進み、小噴射であると判定された場合(S42:NO)にはステップS62に進む。
そして、複数種類のモデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形がいずれであるかを選択するにあたり、以下の如く選別されたモデル波形を選択対象とする。すなわち、ステップS51では図5(a)に示す複数の通常時用台形モデル波形を選択対象とし、ステップS52では図5(b)に示す複数の異常時用台形モデル波形を選択対象とし、ステップS61では図5(c)に示す複数の通常時用三角形モデル波形を選択対象とし、ステップS62では図5(d)に示す複数の異常時用三角形モデル波形を選択対象とする。なお、これらのステップS51,S52,S61,S62は「モデル波形選択手段」に相当する。
以上により、本実施形態によれば、指令噴射量(開弁時間Tq)に基づき、三角形モデル波形及び台形モデル波形のいずれが検出波形Wに類似するかを予め選別しておき、選別されたモデル波形を対象に、検出波形Wに最も類似する波形を選択する処理を実施する。そして、選別されなかったモデル波形については選択の対象外とするので、ECU30による選択処理の負荷を軽減できる。
(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・上記各実施形態では、噴孔詰まり等の異常状態の有無に応じて、選択の対象となるモデル波形を選別し、選別されたモデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形を選択する。これに対し、異常状態の有無に拘わらず、全てのモデル波形を選択の対象とし、全てのモデル波形について検出波形Wとのずれ量を算出するようにしてもよい。
・上記各実施形態では、図5に例示する幾何学的な図形をモデル波形としてメモリ31に記憶させている。つまり、経過時間と検出圧力の規範値との関係を示す座標点の集合でモデル波形を表している。これに対し、経過時間と検出圧力の規範値との関係を表した振動方程式をモデル波形として記憶させるようにしてもよい。
上記振動方程式の一例を以下の数式1に示す。
p=Aexp(−kt)sin(ωt+θ)・・・〔数式1〕
数式1中のpはモデル波形の値(燃圧センサ20による検出圧力の規範値)を示す。数式1のA,k,ω,θは、減衰振動における振幅、減衰係数、周波数、位相をそれぞれ示すパラメータを示す。数式1中のtは経過時間を示す。そして、経過時間tを変数として検出圧力の規範値pが数式1で特定され、上記各パラメータA,k,ω,θがモデル波形毎に異なる値に設定されている。
・上記図8の処理では、指令した噴射量に基づきモデル波形を台形又は三角形に選別しておき、選別した台形モデル波形又は三角形モデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形を選択している。しかし、例えば検出波形Wが、台形及び三角形のいずれにも類似する中間的な形状である場合には、台形モデル波形又は三角形モデル波形に限定した中から検出波形Wに最も類似する波形を選択することは、実際の噴射率波形(噴射状態)と相関の高いモデル波形を精度良く選択する上で望ましくない。
そこで、指令した噴射量を小噴射、中噴射、大噴射の3段階に区分けして、中噴射である場合には台形及び三角形の全てのモデル波形の中から検出波形Wに最も類似する波形を選択するようにしてもよい。この場合、小噴射時には台形モデル波形を選択の対象から除外し、大噴射時には三角形モデル波形を選択の対象から除外する。
・メモリ31に記憶されている複数種類の台形モデル波形同士又は三角形モデル波形同士は、最大圧力低下量(台形又は三角形の高さ)、圧力下降又は上昇の傾き、噴射時間の少なくとも1つが互いに異なるよう設定されていることが望ましい。
10…燃料噴射弁、20…燃圧センサ、30…ECU(ずれ量算出手段、補正手段)、31…メモリ(モデル波形記憶手段、補正波形記憶手段)、S40…異常選別手段、S41,S42…噴射量選別手段、S50,S51,S52,S60,S61,S62…モデル波形選択手段、S70…噴射状態推定手段。

Claims (11)

  1. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁と、前記噴孔から燃料を噴射させることに伴い前記噴孔に至るまでの燃料供給経路内で生じる燃料圧力の変化を検出する燃圧センサと、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記噴孔を開閉作動させた時に前記燃圧センサにより検出される圧力波形の規範となる波形であって、前記噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形が予め記憶されたモデル波形記憶手段と、
    前記複数種類のモデル波形の中から、前記燃圧センサにより検出された検出波形に最も類似するモデル波形を選択するモデル波形選択手段と、
    前記モデル波形選択手段により選択されたモデル波形に基づき、前記噴孔からの燃料噴射状態を推定する噴射状態推定手段と、
    を備え
    前記複数種類のモデル波形には、台形形状の台形モデル波形が含まれていることを特徴とする燃料噴射状態検出装置。
  2. 前記複数種類のモデル波形には、燃料噴射量が所定量以上であることを想定した前記台形モデル波形に加え、燃料噴射量が所定量未満であることを想定した三角形状の三角形モデル波形が含まれていることを特徴とする請求項に記載の燃料噴射状態検出装置。
  3. 前記燃料噴射弁へ出力した噴射量指令信号に基づき、前記検出波形が前記台形モデル波形及び前記三角形モデル波形のいずれに類似するかを選別する噴射量選別手段を備え、
    前記モデル波形選択手段は、前記噴射量選別手段により選別されたモデル波形の中から、前記検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする請求項に記載の燃料噴射状態検出装置。
  4. 前記複数種類のモデル波形には、前記燃料噴射弁へ出力した噴射量指令信号に対する実際の噴射量が所定量以上少なくなっている異常状態である場合を想定した異常時用モデル波形と、前記異常状態でない場合を想定した通常時用モデル波形と、が含まれていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の燃料噴射状態検出装置。
  5. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁と、前記噴孔から燃料を噴射させることに伴い前記噴孔に至るまでの燃料供給経路内で生じる燃料圧力の変化を検出する燃圧センサと、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記噴孔を開閉作動させた時に前記燃圧センサにより検出される圧力波形の規範となる波形であって、前記噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形が予め記憶されたモデル波形記憶手段と、
    前記複数種類のモデル波形の中から、前記燃圧センサにより検出された検出波形に最も類似するモデル波形を選択するモデル波形選択手段と、
    前記モデル波形選択手段により選択されたモデル波形に基づき、前記噴孔からの燃料噴射状態を推定する噴射状態推定手段と、
    を備え、
    前記複数種類のモデル波形には、前記燃料噴射弁へ出力した噴射量指令信号に対する実際の噴射量が所定量以上少なくなっている異常状態である場合を想定した異常時用モデル波形と、前記異常状態でない場合を想定した通常時用モデル波形と、が含まれ、
    前記異常状態の発生有無に基づき、前記検出波形が前記異常時用モデル波形及び前記通常時用モデル波形のいずれに類似するかを選別する異常選別手段を備え、
    前記モデル波形選択手段は、前記異常選別手段により選別されたモデル波形の中から、前記検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする燃料噴射状態検出装置。
  6. 前記異常選別手段は、
    前記噴射量指令信号に基づき異常判定値を算出し、
    噴射に伴い生じた圧力の最大降下量を前記検出波形に基づき算出し、
    前記最大降下量が前記異常判定値未満である場合に前記異常状態が発生していると判定して前記異常時用モデル波形を選別することを特徴とする請求項に記載の燃料噴射状態検出装置。
  7. 前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、
    前記ずれ量算出手段は、噴射開始指令信号又は噴射終了指令信号を前記燃料噴射弁へ出力した時点から所定時間が経過した時点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の燃料噴射状態検出装置。
  8. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁と、前記噴孔から燃料を噴射させることに伴い前記噴孔に至るまでの燃料供給経路内で生じる燃料圧力の変化を検出する燃圧センサと、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記噴孔を開閉作動させた時に前記燃圧センサにより検出される圧力波形の規範となる波形であって、前記噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形が予め記憶されたモデル波形記憶手段と、
    前記複数種類のモデル波形の中から、前記燃圧センサにより検出された検出波形に最も類似するモデル波形を選択するモデル波形選択手段と、
    前記モデル波形選択手段により選択されたモデル波形に基づき、前記噴孔からの燃料噴射状態を推定する噴射状態推定手段と、
    を備え、
    前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、
    前記ずれ量算出手段は、噴射開始指令信号又は噴射終了指令信号を前記燃料噴射弁へ出力した時点から所定時間が経過した時点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする燃料噴射状態検出装置。
  9. 前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、
    前記ずれ量算出手段は、前記検出波形に現れる所定の変化点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の燃料噴射状態検出装置。
  10. 内燃機関で燃焼させる燃料を噴孔から噴射する燃料噴射弁と、前記噴孔から燃料を噴射させることに伴い前記噴孔に至るまでの燃料供給経路内で生じる燃料圧力の変化を検出する燃圧センサと、を備えた燃料噴射システムに適用され、
    前記噴孔を開閉作動させた時に前記燃圧センサにより検出される圧力波形の規範となる波形であって、前記噴孔からの燃料噴射状態を表すよう設定された複数種類のモデル波形が予め記憶されたモデル波形記憶手段と、
    前記複数種類のモデル波形の中から、前記燃圧センサにより検出された検出波形に最も類似するモデル波形を選択するモデル波形選択手段と、
    前記モデル波形選択手段により選択されたモデル波形に基づき、前記噴孔からの燃料噴射状態を推定する噴射状態推定手段と、
    を備え、
    前記モデル波形選択手段は、前記検出波形と前記モデル波形とのずれ量を定量化するずれ量算出手段を有するとともに、前記ずれ量が最小となるモデル波形を、前記検出波形に最も類似するモデル波形であるとして選択するものであり、
    前記ずれ量算出手段は、前記検出波形に現れる所定の変化点に前記モデル波形の基準点を合わせて関連付けした状態で、前記ずれ量を算出することを特徴とする燃料噴射状態検出装置。
  11. 燃料噴射以外の影響による波形である補正波形が予め記憶された補正波形記憶手段と、
    前記検出波形を前記補正波形に基づき補正する補正手段と、
    を備え、
    前記モデル波形選択手段は、前記補正手段により補正された検出波形を用いて、当該検出波形に最も類似するモデル波形を選択することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1つに記載の燃料噴射状態検出装置。
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