JP5983866B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。
昨今、エンジンに使用される燃料に含まれることがある硫黄(S)の対策が種々検討されている。例えば、特許文献1には、燃料噴射弁(インジェクタ)の腐食を考慮してSOが許容値以上となる場合にEGR(Exhaust Gas Recirculation)量を低減することが提案されている。
特開2010−255462号公報
ところで、インジェクタ、特に噴孔が設けられているノズル先端部に酸成分が結露すると、噴孔腐食が発生する可能性がある。噴孔腐食が発生すると噴霧が影響を受け、スモークが発生する可能性がある。このため噴孔腐食が発生した場合には、噴孔腐食に対する何らかの対策を講じる必要がある。噴孔腐食に対する対策を講じるためには、噴孔腐食の有無を適切に判断することが求められる。
しかしながら、上記特許文献1の提案では、インジェクタの腐食の進行を抑制することはできると考えられるものの、実際にインジェクタに異常が生じていること、具体的に噴孔腐食が発生しているか否かを正確に把握することはできない。
そこで、本明細書開示の燃料噴射装置は、インジェクタの異常発生の有無、インジェクタの噴孔腐食の有無を適切に判断することを課題とする。
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料噴射装置は、エンジンの筒内へ燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタにより噴射された燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得部と、前記インジェクタにより噴射され着火した燃料の発熱量を取得する発熱量取得部と、前記燃料噴射量取得部によって取得された燃料噴射量と基準燃料噴射量との差が所定範囲内であり、かつ、前記発熱量取得部によって取得された発熱量が前記基準燃料噴射量に対応する基準発熱量よりも大きいと判断した場合に、インジェクタ異常が発生していると判断する制御部と、を備える。
基準燃料噴射量との差が所定範囲内であり、燃料噴射量に差異が認められないにもかかわらず、発熱量が異なる場合は、燃料噴射装置に何らかの異常が発生していると考えられる。とりわけ、発熱量が大きくなっている場合は、インジェクタ異常と判断される。インジェクタ異常、特に、噴孔腐食が発生した場合や噴孔に施されたメッキが剥がれた場合には、燃料噴射量が変化しないにもかかわらず、燃料の噴射形態の変化に起因して発熱量が増す。この現象を捕捉することにより、インジェクタ異常を判断する。噴孔腐食が発生したり、噴孔に施されたメッキが剥がれたりした場合は、噴孔出口端の径が大きくなることから、噴霧貫徹力が弱まり、筒内(燃焼室)の中心付近で燃焼する。この結果、発熱量が増大する。このため、発熱量の増大が観測された場合は、噴孔腐食やメッキ剥がれが生じていると判断することができる。
前記制御部は、パイロット噴射における燃料噴射量と前記基準燃料噴射量との比較及び前記パイロット噴射における発熱量と前記基準発熱量との比較を行ってインジェクタ異常の発生の有無を判断することができる。パイロット噴射における発熱量は、その前後の筒内環境変化の影響を受けにくく、発熱量を精度良く把握することができる。この場合の基準燃料噴射量は、例えば、インジェクタの出荷状態において、パイロット噴射と同条件で噴射されたときの燃料噴射量とすることができる。
前記制御部は、フェーエルカット制御実行時に行う単発燃料噴射における燃料噴射量と前記基準燃料噴射量との比較及び前記単発噴射における発熱量と前記基準発熱量との比較を行ってインジェクタ異常の発生の有無を判断することができる。フェーエルカット制御実行時に行う単発燃料噴射は、その前後で燃料噴射がされないタイミングで行うことができ、筒内環境の変化の影響を受けにくいため発熱量を精度良く把握することができる。この場合の基準燃料噴射量は、例えば、インジェクタの出荷状態において、単発燃料噴射と同条件で噴射されたときの燃料噴射量とすることができる。
前記発熱量取得部は、筒内圧に基づいて前記着火した燃料の発熱量を取得することができる。筒内圧は、発熱量と相関性を有するため、筒内圧に基づいて着火した燃料の発熱量を取得することができる。
前記発熱量取得部は、前記インジェクタに導入される燃料の圧力変動に基づいて前記着火した燃料の発熱量を取得することができる。筒内圧の変化は、インジェクタが備えるニードル弁の動作に影響を与え、インジェクタに導入される燃料の圧力、すなわち、燃料入口圧力が変動する。このため、この燃料入口圧力の変動を参照することにより、発熱量を把握することができる。
本明細書開示の燃料噴射装置によれば、インジェクタの異常発生の有無、インジェクタの噴孔腐食の有無を適切に判断することができる。
図1は第1実施形態の燃料噴射装置が組み込まれたエンジンの概略構成を示す説明図である。 図2はインジェクタにおける噴孔腐食による噴射特性の変化を示すグラフである。 図3は噴孔腐食の有無による発熱量の相違を示すグラフである。 図4は第1実施形態の燃料噴射装置の制御の一例を示すフロー図である。 図5(A)は低回転数のときに筒内が高温となる期間を示すグラフであり、図5(B)は高回転数のときに筒内が高温となる期間を示すグラフである。 図6は燃料の噴射量とエンジン回転数との関係の一例を示すグラフである。 図7(A)はパイロット発熱量判定不可である燃焼状態の一例を示すグラフ、図7(B)はパイロット発熱量判定可能である燃焼状態の一例を示すグラフである。 図8(A)は筒内圧の変化の一例を示すグラフ、図8(B)は熱発生率の変化の一例を示すグラフ、図8(C)は熱発生量の変化の一例を示すグラフである。 図9は第2実施形態の燃料噴射装置の制御の一例を示すフロー図である。 図10はフェーエルカット制御におけるエンジン回転数の変化を示すグラフである。 図11は第3実施形態の燃料噴射装置が組み込まれたエンジンの概略構成を示す説明図である。 図12はパイロット噴射とメイン噴射とを行った際の筒内圧の変化を、噴孔腐食が有る場合と無い場合とを比較して示すグラフの一例である。 図13は筒内圧と噴射率との関係を示すグラフの一例である。 図14は筒内圧の噴射挙動(ニードル速度、ニードルリフト量及び噴射期間)への影響の一例を示すグラフである。 図15は平均筒内圧の算出方法の一例を示すフロー図である。 図16は燃料入口圧力波形の測定結果の例を示す説明図である。 図17は平均筒内圧を取得するために参照されるマップの一例である。 図18は第4実施形態における開弁時の筒内圧の算出方法の一例を示すフロー図である。 図19は燃料入口圧力の変化の一例を示すグラフである。 図20は開弁時の筒内圧を取得するために参照されるマップの一例である。 図21はメイン噴射が行われる際の開弁時の筒内圧Pcly_opを噴孔腐食が有る場合と無い場合とを比較して示すグラフの一例である。 図22は第5実施形態の燃料噴射装置の制御の一例を示すフロー図である。 図23は燃料噴射による燃圧の変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
(第1実施形態)
図1は実施形態の燃料噴射装置1が組み込まれたエンジン100の概略構成を示す説明図である。
エンジン100は、筒内噴射を行うエンジン、より具体的にはディーゼルエンジンである。エンジン100は4気筒である。エンジン100は、エンジン本体101を備え、そのエンジン本体101に♯1気筒〜♯4気筒を備える。燃料噴射装置1は、このエンジン100に組み込まれている。燃料噴射装置1は、♯1気筒〜♯4気筒に対応して、♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4を備える。具体的に、♯1気筒には、♯1インジェクタ107−1が装着され、♯2気筒には♯2インジェクタ107−2が装着されている。♯3気筒には♯3インジェクタ107−3が装着され、♯4気筒には♯4インジェクタ107−4が装着されている。♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4はそれぞれコモンレール120に接続され、コモンレール120から高圧の燃料が供給される。コモンレール120には、レール圧センサ121が装着されている。レール圧センサ121により、燃料の噴射圧が取得される。
エンジン100は、エンジン本体101に取り付けられたインテークマニホールド102、エキゾーストマニホールド103を備える。インテークマニホールド102には、吸気管104が接続されている。エキゾーストマニホールド103には排気管105が接続されると共に、EGR通路108の一端が接続されている。EGR通路108の他端は、吸気管104に接続されている。EGR通路108には、EGRクーラ109が設けられている。また、EGR通路108には、排気ガスの流通状態を制御するEGRバルブ110が設けられている。吸気管104には、エアフロメータ106が接続されている。エアフロメータ106は、ECU111に電気的に接続されている。ECU111には、インジェクタ107−i(iは気筒番号を示す)、具体的に、♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4が電気的に接続されている。ECU111は、♯1インジェクタ107−1〜♯4インジェクタ107−4に対し、別個にエンジン停止中燃料噴射を指示することができる。
ECU111には、吸気温を測定する吸気温センサ112、冷却水の水温を測定する水温センサ113、燃料の温度を測定する燃温センサ114が電気的に接続されている。エンジン100が備える♯1気筒〜♯4気筒には、それぞれ、燃焼圧、すなわち筒内圧を測定する筒内圧センサ(CPS;Combustion Pressure Sensor)115が装着されている。これらの筒内圧センサ115はECU111と電気的に接続されている。さらに、ECU111には、クランク角を測定するクランク角センサ116が電気的に接続されている。ECU111は、エンジン周辺の種々の制御を行う。また、上述のレール圧センサ121もECU111に電気的に接続されている。また、燃料噴射装置1は、インテークマニホールド102に配置された吸気圧センサ118を備える。吸気圧センサ118は、インマニ圧力Pimを取得する。
ECU111は、制御部として機能する。また、ECU111は、筒内圧センサ115とともに、インジェクタ107により噴射され着火した燃料の発熱量を取得する発熱量取得部に含まれる。具体的に、ECU111は、筒内圧センサ115によって計測された筒内圧に基づいて筒内(燃焼室内)で着火した燃料の発熱量を取得する。筒内圧は、着火した燃料の発熱量と相関性を有することから、筒内圧を観測することにより、発熱量を把握することができる。さらに、ECU111は、クランク角センサ116とともに、インジェクタ107により噴射された燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得部に含まれる。具体的に、クランク角センサ116によって計測された回転変動よりその回転変動に対応するトルク相当量を算出することによって噴射された燃料噴射量を把握することができる。
以下、燃料噴射装置1の制御の一例について説明するが、まず、図2を参照して、噴孔腐食による噴射特性の変化について説明する。また、図3を参照して、噴孔腐食の有無による発熱量の相違について説明する。図2を参照すると、破線で示された噴孔腐食が無い状態のインジェクタ107の噴射特性と、実線で示された噴孔腐食が有る状態のインジェクタ107の噴射特性が描かれている。図3を参照すると、破線で示された噴孔腐食が無い状態のインジェクタ107における発熱量と、実線で示された噴孔腐食が有る状態のインジェクタ107における発熱量が描かれている。以下、図2を参照しつつ、噴孔腐食が有るインジェクタ7の噴射特性と、噴孔腐食が無いインジェクタ7の噴射特性とを、比較しつつ説明する。ここで、両者に対する噴射指令は同一であることが前提である。噴孔腐食が有るインジェクタ7の最大噴射率dQは、噴孔腐食が無いインジェクタ7の最大噴射率dQと比較して大きくなっている。また、噴孔腐食が有るインジェクタ7の噴射期間t1は、噴孔腐食が無いインジェクタ7の噴射期間t0と比較して短縮されている。これらの現象は、噴孔腐食による噴孔径の拡大に起因している。噴射期間の短縮については、最大噴射率dQの増大に起因してインジェクタ7が備えるニードル弁を押し上げる力として作用する圧力が早期に低下し、ニードル弁の閉弁速度が上昇することが理由となる。なお、噴射された燃料噴射量自体は、変化しておらず、噴孔腐食が有る場合、最大噴射率dQが増加している分、噴射期間が短縮され、一回に噴射される燃料噴射量は噴孔腐食が無い場合と同量となっている。このように、噴孔腐食が有る場合は、噴孔腐食が無い場合と同一の噴射指令に対して、最大噴射率dQが増加し、噴射期間が短縮する現象が観察される。一方、図3を参照すると、発熱量の2つのピークが認められる。先のピークは、パイロット噴射によるもの、後のピークは、メイン噴射によるものである。いずれのピークにおいても、噴孔腐食が有る場合の発熱量が、噴孔腐食が無い場合の発熱量と比較して大きくなっている。これは、噴孔腐食が有る場合、噴孔出口端の径が大きくなることから、噴霧貫徹力が弱まり、筒内(燃焼室)の中心付近で燃焼する。この結果、発熱量が増大する。第1実施形態の燃料噴射装置1は、噴孔腐食の有無によって生じるこれらの現象の差異を観測することにより、インジェクタ異常の有無を判断する。なお、本明細書において、インジェクタ異常の主原因は噴孔腐食となるが、燃料噴射装置1における判断において、最終的に噴孔腐食であると判断することまでは求められるものではない。要は、上述の現象を捕捉することによって、インジェクタ異常の発生の有無を判断することができればよい。また、本明細書において噴孔腐食の概念には、噴孔に施されたメッキの剥がれも含まれるものとする。また、上述のように、本実施形態の燃料噴射装置1は、燃料噴射量が同等であることを捕捉することになるが、燃料噴射量が完全に同一であることを保障することは現実的でない。そこで、本明細書開示の実施形態において、比較する燃料噴射量の差が所定範囲内であれば、燃料噴射量は同一であるものとして取り扱うことができる。
図4に示すフロー図を参照すると、まず、ステップS1において、微小Q学習条件を充足しているか否かを判断する。ここで、微小Q学習条件とは、噴射された燃料噴射量を精度良く把握するための条件であり、例えば、エンジン回転数が、所定回転数以下であることが求められる。ここで、図5(A)(B)を参照して、微小Q学習条件について説明する。図5(A)は低回転数の場合の筒内温度の推移を示している。低回転数の場合は、クランクアングルの変化が緩やかであるため、筒内が高温に保たれる高温期間が長期となる。すなわち、燃料が高温に曝される期間が長いため、噴射された燃料の全量が着火し、燃焼する。一方、図5(B)は高回転の場合の筒内温度の推移を示している。高回転の場合は、クランクアングルの変化が急であり、筒内温度が高温に保たれる高温期間が短期となる。すなわち、燃料が高温に曝される期間が短いため、噴射された燃料の一部のみが着火し、燃焼する。噴射された燃料噴射量をクランク角センサにより取得されるトルク相当量として把握する場合、噴射された燃料の全量が着火し、燃焼することが求められる。従って、微小Q学習条件は、噴射された燃料の全量が着火し、燃焼する低回転数であることとなる。また、減速時のフェーエルカット制御実行中であることも微小Q学習条件に含められる。フェーエルカット制御実行中であれば、燃料噴射量を評価するだけの目的の燃料噴射を行うことができ、燃料噴射量を把握するうえで都合がよい。
ステップS1でNoと判断したときは、処理は、リターンとなる。一方、ステップS1でYesと判断したときは、ステップS2へ進む。ステップS2では、実際に燃料噴射量Qv[mm/st]を取得する。具体的に、クランク角センサ116により、燃料噴射に基づく回転変動を把握し、そのトルク相当量より燃料噴射量Qv[mm/st]を取得する。すなわち、図6中、点線で示すように、フェーエルカット制御実行中の期間に微量の燃焼噴射を行う。このように、微量の燃焼噴射とを行うと、噴射された燃料の発熱に起因して、図6中、点線で示すようにエンジン回転数の変動が起こる。この回転数変動をクランク角センサ116により検出する。エンジンの回転数変動が把握されれば、この回転数変動を起こすトルク相当量の燃料噴射量Qv[mm/st]が取得される。回転数変動値から燃料噴射量Qv[mm/st]を判定するためには、マップが用いられる。ここで、微量の燃料噴射を行う噴射指令は、以下の方針で設定されている。すなわち、噴射指令は、噴孔腐食が無いと仮定したときに、後に説明するステップS6において比較される基準燃料噴射量Qvrefを噴射するように設定されている。
ステップS2に引き続き行われるステップS3では、噴孔腐食判定条件が充足されているか否かを判断する。第1実施形態では、後に詳述するように、ECU111は、パイロット噴射における燃料噴射量と基準燃料噴射量との比較及びパイロット噴射における発熱量と基準発熱量との比較を行ってインジェクタ異常の発生の有無を判断する。このため、噴孔腐食判定条件として、吸気圧力、吸気温度がそれぞれ特定の範囲内であること、燃料性状、具体的にセタン価が所定範囲内であること等を設定することができる。吸気温度は吸気温センサ112により、吸気圧力は吸気圧センサ118により取得される。吸気温度や吸気圧力に関する条件は、以下の理由により、要求される。パイロット噴射に対する着火、燃焼は、自己着火であり、燃料が着火する場が高温、高圧であるほど自己着火し易くなる。すなわち、自己着火における着火遅れは、燃料が着火する場の温度、圧力に依存する。そのため、発熱量の予測には、温度、圧力の情報が必要となることを考慮したためである。燃料性状については、例えば、上述のような微小Q学習を給油前後に行うことによって微小Q学習値に変化が無いことが確認された場合には、燃料性状が所定範囲内にあると判断することができる。また、燃料性状センサを用いて、燃料に変化が無いことを保障するようにしてもよい。さらに、パイロット噴射の燃焼期間及び発熱量の算出が容易となるように、パイロット噴射により噴射された燃料の発熱量が明確に算出することができる適合条件であることを噴孔腐食判定条件に含めてもよい。図7(A)はパイロット発熱量判定不可である燃焼状態の一例を示すグラフ、図7(B)はパイロット発熱量判定可能である燃焼状態の一例を示すグラフである。第1実施形態における噴孔腐食判定は、図7(B)で示すように、パイロット噴射によるピークとメイン噴射によるピークが明確に現れるタイミングで行われる。これにより、誤判定を抑制することができる。
ステップS3においてNoと判断したときは、処理はリターンとなる。一方、ステップS3でYesと判断したときは、ステップS4へ進む。ステップS4ででは、筒内圧センサ115により、筒内圧P(θ)を取得する。そして、ステップS4に引き続いて行うステップS5では、筒内圧センサ115により測定された筒内圧P(θ)の履歴より、発熱量Q(θ)を算出する。図8(A)は筒内圧P(θ)の変化の一例を示すグラフ、図8(B)は熱発生率dQ(θ)の変化の一例を示すグラフ、図8(C)は発熱量Q(θ)の変化の一例を示すグラフである。
まず、式1により筒内圧P(θ)から熱発生率dQ(θ)を算出する。式1において、V(θ)は、あるクランク角度における筒内容積であり、κは、定数である。
式1
dQ(θ)=
(κ・P(θ)・dV(θ)+V(θ)・dP(θ))/(κ−1)
そして、式2により、熱発生率dQ(θ)を積算して、発熱量Q(θ)を算出する。
式2
Q(θ)=Q(θ−Δθ)+dQ(θ)
そして、パイロット噴射による発熱量Qplを算出する。ここで、上述した噴孔腐食判定条件にパイロット噴射とメイン噴射との発熱量が明確に切り分けることができる条件を含めておくことにより、図8(C)に示すようにパイロット噴射により噴射された燃料の発熱量を把握することができる。これにより、例えば、上死点0°CAにおける値Q(0)をパイロット発熱量Qplとすることができる。すなわち、Q(0)=Qplとすることができる。なお、熱発生率dQ(θ)からパイロット噴射の燃焼期間を判定し、直接発熱量を算出してもよい。
ステップS5に引き続き行われるステップS6では、ステップS2で取得した燃料噴射量Qvが基準燃料噴射量Qvrefと同等であるか否かを判断する。これは、燃料噴射量が同一であることを確認し、パイロット噴射における燃料噴射量が、ステップS7におけるパイロット発熱量Qplと基準発熱量Qplrefとの比較の前提として適切であることを保障するものである。基準燃料噴射量Qvrefは、噴孔腐食が無い状態の燃料噴射量として、フェーエルカット制御実行中の期間に行われる微量の燃焼噴射によって噴射される燃料噴射量Qv[mm/st]と比較することができる燃料噴射量である。第1実施形態では、出荷時の状態における燃料噴射量を採用している。なお、燃料噴射量が同等であるとの判断は、上述のように完全に一致する場合のみでなく、誤差等を考慮してある程度の幅を持たせることができる。
ステップS6でYesと判断したときは、ステップS7へ進む。ステップS7では、ステップS5で取得したパイロット発熱量Qplが基準発熱量Qplrefよりも大きいか否かを判断する。基準発熱量Qplrefは、基準燃料噴射量Qvrefに対応する発熱量である。基準発熱量Qplrefは、ステップS3で判断した噴孔腐食判定条件に含められる条件と対等な条件下で基準燃料噴射量Qvrefを噴射した場合の発熱量である。
ステップS7でYesと判断したときは、ステップS8へ進む。ステップS8では、噴孔腐食が有ると判断する。噴孔腐食が発生しているときに特有の燃料噴射量に変化が無い状態で燃料の発熱量が増加していると判断されたため、インジェクタ異常の発生が発生している、より具体的に、噴孔腐食が発生していると結論づける。これにより、ユーザーは、インジェクタ交換等の措置を採ることができる。
ステップS6でNoと判断したとき、ステップS7でNoと判断したときは、いずれもステップS9へ進む。ステップS9では、噴孔腐食は無いと判断し、処理はリターンとなる。なお、ステップS6でNoと判断したときは、少なくとも、燃料噴射装置1に何らかの異常が発生していると判断することができる。このため、ステップS6でNoと判断した際に、警告灯の点灯をすることもできる。噴孔腐食の発生以外に考えられる異常の原因としては、例えば、インジェクタ107が備えるニードル弁の摩耗や、摺動不良、詰まり等が考えられる。
このように、第1実施形態の燃料噴射装置1によれば、インジェクタ107の異常発生の有無、より具体的にインジェクタ107の噴孔腐食の有無を適切に判断することができる。
なお、図4に示すフロー図は、一例であり、各ステップにおける措置は、適宜入れ換えて実施することができる。
(第2実施形態)
つぎに、第2実施形態について、図9、図10を参照しつつ説明する。図9は第2実施形態の燃料噴射装置の制御の一例を示すフロー図である。なお、第2実施形態の燃料噴射装置1の概略構成は、第1実施形態と共通しているので、その詳細な説明は省略する。ただし、第2実施形態では、クランク角センサ116とECU111とが協働して発熱量取得部として機能させている。また、第2実施形態における燃料噴射量取得部の機能は、ECU111が担う。すなわち、ECU111は、噴孔腐食の有無を判断する際に、予め定められた基準燃料噴射量を噴射するように噴射指令を行う。また、第2実施形態が第1実施形態とは、以下の点で異なる。すなわち、第1実施形態では、パイロット噴射発熱量Qplを用いて噴孔腐食の有無を判断しているところ、第2実施形態では、フェーエルカット制御実行時に行う単発燃料噴射における発熱量を用いて噴孔腐食の有無を判断する。
まず、ステップS11では、噴孔腐食判定条件としてエンジン回転数NEが閾値として予め定められた所定回転数よりも高いか否かを判断する。本実施形態では、その閾値の一例として2000rpmが設定されており、エンジン回転数NEが2000rpmよりも高いか否かを判断する。ここで、エンジン回転数NEが2000rpmよりも高いとの条件は、エンジンが高回転数状態であることを判定するものである。図10を参照すると、エンジン100の状態は、フェーエルカット制御(減速F/C)開始後の高回転数状態から徐々に低回転数状態に移行する。高回転数の場合、上述のように噴射された燃料が高温に曝される期間が短いため、噴射された燃料の一部のみが着火し、燃焼する(難着火条件)。一方、低回転数の場合、噴射された燃料が高温に曝される期間が長いため、噴射された燃料の全量が着火し、燃焼する(易着火条件)。
ステップS11でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。ステップS11でYesと判断したときはステップS12へ進む。ステップS12では、微小量噴射を実施する。このとき、ECU111は、予め定められた基準燃料噴射量を噴射する。ステップS12に引き続き行われるステップS13では、回転変動を検出する。具体的に、クランク角センサ116によって回転変動を検出する。そして、ステップS14において、検出された回転変動の値から難着火条件における発熱量Qを算出する。
ステップS15では、噴孔腐食判定条件として、エンジン回転数NEが、上述の如く予め閾値の一例として定められた2000rpmよりも高いか否かを判断する。すなわち、易着火条件であるか否かを判断する。ステップS15でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。ステップS15でYesと判断したときはステップS16へ進む。ステップS16では、微小量噴射を実施する。このとき、ECU111は、予め定められた基準燃料噴射量を噴射する。すなわち、ステップS12で噴射した燃料噴射量と同量の噴射量とする。ステップS16に引き続き行われるステップS17では、回転変動を検出する。具体的に、クランク角センサ116によって回転変動を検出する。そして、ステップS18において、検出された回転変動の値から易着火条件における発熱量Qを算出する。この発熱量Qは、基準燃料噴射量に対応する基準発熱量とみなすことができる。易着火条件においては、上述のように、噴射された燃料の全量が着火する。このため、噴孔腐食がある場合の発熱量Qと噴孔腐食が無い場合の発熱量Qとは同等となると考えられ、基準燃料噴射量に対応する基準発熱量として位置づけることができる。
ステップS19では、発熱量差分ΔQ=Q−Qを算出する。すなわち、難着火条件において行われた単発噴射における発熱量と基準発熱量との比較を行う。ここで、QとQとを比較すると、易着火条件では全量の噴射燃料が着火、燃焼することからQの方が大きくなる。
ステップS20では、発熱量差分ΔQが閾値βよりも小さいか否かを判断する。ここで、閾値βは、インジェクタ107に噴孔腐食が発生しておらず異常がないことが保障されている状態で、難着火条件及び易着火条件でそれぞれ基準燃料噴射量を噴射したときの発熱量の差分である。
インジェクタ107に噴孔腐食が発生していない場合、難着火条件における発熱量は小さい。このため、ΔQは大きくなる。これに対し、インジェクタ107に噴孔腐食が発生している場合、噴射された燃料は、筒内の中心部で燃焼することから発熱量が大きくなる。従って、ΔQが小さくなる。このように、ΔQを閾値βと比較することにより、難着火条件における発熱量の変化を把握することができる。
従って、ステップS20でYesと判断したときは、ステップS21へ進み、噴孔腐食が有るとの判定を行う。また、ステップS20でNoと判断したときは、ステップS21へ進み、噴孔腐食が無いとの判定を行う。ステップS21、ステップS22を経た後は、処理は、いずれもリターンとなる。
以上のような処理を経ることにより、インジェクタの異常発生の有無、インジェクタの噴孔腐食の有無を適切に判断することができる。なお、第2実施形態では、ステップS12とステップS16において、同量の燃料噴射指令を行うことにより、難着火条件における燃料噴射量と基準燃料噴射量とが同量であることを担保している。これに代えて、例えば、後の実施形態において説明する燃料導入経路に配置された圧力計117を用いて検出されるインジェクタ107に導入される燃料の圧力変動から実際の燃料噴射量を把握し、比較するようにしてもよい。
(第3実施形態)
つぎに、第3実施形態につき、図11乃至図17を参照しつつ説明する。図11は第3実施形態の燃料噴射装置201が組み込まれたエンジン200の概略構成を示す説明図である。第3実施形態の燃料噴射装置201は、以下の点で第1実施形態の燃料噴射装置1と異なる。すなわち、燃料噴射装置201は、燃料噴射装置1が備える筒内圧センサ115に代えて、インジェクタ107に燃料を導入する燃料導入経路に配置された圧力計117を備える。圧力計117は、インジェクタ107に導入される燃料の圧力変動を検出することができる。ECU111は、圧力計117によって取得された圧力変動に基づいて着火した燃料の発熱量を取得する。なお、他の構成要素は、第1実施形態と異なるところがないため、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。
図12は、パイロット噴射とメイン噴射とを行った際の噴射率と筒内圧の時間変化を、噴孔腐食が有る場合と無い場合と比較して示すグラフの一例である。図13は、筒内圧と噴射率との関係を示すグラフの一例である。図12を参照すると、筒内圧変化は、ピストンの圧縮動作による筒内圧の変化と、パイロット噴射やメイン噴射による筒内圧の変化が合算された値となる。ここで、筒内圧とインジェクタ107が備えるニードル弁の挙動との関係について説明する。筒内圧は、筒内側からニードル弁を押し上げる力としてニードル弁に作用する。従って、筒内圧が高くなると、筒内側からニードル弁に作用する力が強くなる。ニードル弁に作用する力は、開弁時には、ニードル弁を押し上げるアシスト力として作用し、閉弁時には、ニードル弁が閉じようとする力に対向する力として作用する。このため、筒内圧は、ニードル弁の開弁速度を速くし、閉弁速度を遅くする。
ここで、パイロット噴射時の筒内圧変化について説明する。パイロット噴射時の筒内圧は、それ以前に行われる噴射の影響を受けていない。このため、パイロット噴射時のニードル弁の開弁挙動は、噴孔腐食の有無にかかわらず、ほぼ一定となる。しかしながら、噴孔腐食が有る場合のパイロット噴射の発熱量は、噴孔腐食が無い場合のパイロット噴射の発熱量と比較して多い。これは、第1実施形態において説明したように、噴孔腐食が有る場合、噴孔出口端の径が大きくなることから、噴霧貫徹力が弱まり、筒内(燃焼室)の中心付近で燃焼することに起因する。このため、噴孔腐食が有る場合、パイロット噴射が行われたことによる筒内圧の変化は、噴孔腐食が無い場合と比較して大きくなり、噴孔腐食が有る場合の筒内圧が高くなる。パイロット噴射によるこのような筒内圧の上昇は、パイロット噴射に引き続いて行われるメイン噴射におけるニードル弁の挙動に影響を与える。
つぎに、メイン噴射時の筒内圧変化に着目する。上述のように噴孔腐食が有るインジェクタ107によるパイロット噴射が行われることにより、メイン噴射時の筒内圧は噴孔腐食が無い場合と比較して高くなっている。このため、図13に示すように、筒内圧が高い場合のニードルの開弁速度は筒内圧が低い場合と比較して速くなる。また、筒内圧が高い場合のニードルの閉弁速度は筒内圧が低い場合と比較して遅くなる。さらに、筒内圧が高い場合の最大噴射率は筒内圧が低い場合と比較して低くなる。このように、噴孔腐食の有無によって、メイン噴射時のニードル弁の挙動に相違がみられる。このようなメイン噴射時のニードル弁の相違を解析することにより、パイロット噴射の発熱量を推定することができる。
具体的に、ニードル弁の挙動につき、図14を参照して解析すると、筒内圧が異なることに起因して、ニードル速度、ニードルリフト量及び噴射期間tinjに差異がみられることがわかる。上述のように、メイン噴射時の筒内圧が高くなると、筒内側からインジェクタ107が備えるニードル弁に作用する力が強くなる。この結果、メイン噴射のニードルリフト量が増すとともに、噴射期間tinjに差異がみられる。このようなニードル弁の動きは、インジェクタ107に導入される燃料の圧力、すなわち、燃料入口圧力の変動という形で把握することができる。そこで、圧力計117で取得される燃料入口圧力の変動を参照することにより、発熱量を把握する。すなわち、第3実施形態において、ECU111と圧力計117が発熱量取得部として機能する。圧力計117によって取得された値を用いることにより、平均筒内圧Pcly_aveを推定することができる。平均筒内圧Pcly_aveは、第1実施形態における筒内圧P(θ)に代えて、発熱量の評価に用いることができる。そこで、第3実施形態では、基本的に図4に示すフロー図に基づく制御が行われ、図4におけるステップS4の措置に代わる措置として、図15に示すフロー図に基づく措置をとる。具体的に、基準の噴射条件にて噴射が行われた際に、圧力計117にて実噴射期間tinj_iを計測し、基準の噴射期間tinj_0と比較する。そして、噴射期間中の平均筒内圧Pcly_aveを得る。以下、平均筒内圧Pcly_aveについて説明する。
まず、ステップS41では、基準の噴射条件が充足されているか否かを判断する。具体的に、筒内圧力推定に必要となる基準の噴射圧力、噴射量にて噴射が行われる状態であるか否かを判断する。なお、運転状態としては、通常運転時に、すなわち、通常走行時に行うことができるが、例えば、何らかの異常が検出された場合は、筒内圧力推定が容易な噴射条件に変更してもよい。具体的に、低噴射圧力で高噴射量の条件下で平均筒内圧Pcly_aveの推定を実施するようにしてもよい。ステップS41でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。
ステップS41でYesと判断したときは、ステップS42へ進む。ステップS42では、圧力計117により燃料入口圧力波形を取得する。図16は、燃料入口圧力波形の測定結果の例を示す説明図である。ステップS43では、この波形を解析することにより、実噴射期間tinj_iを取得する。
ステップS44では、噴射期間差分Δtinjを算出する。具体的に式3の演算を行う。
式3
Δtinj=tinj_i−tinj_0
なお、添字のiは計測値であることを示し、添字の0は基準の値であることを示す。
ステップS45では、噴射圧Pcrを取得する。噴射圧Pcrは、レール圧センサ121の計測値として取得される。ステップS46では、図17に示すマップが参照され、平均筒内圧Pcly_aveが推定される。図17を参照すると、横軸が筒内圧Pclyとされ、縦軸が噴射期間差分Δtinjとされている。このようなマップから、まず、噴射圧Pcrの値により、参照する線分が選択される。線分は、噴射圧Pcrが低いほど傾きが大きく、噴射期間差分Δtinjの影響を受け易くなっている。参照すべき線分が選択された後は、ステップS44で取得した噴射期間差分Δtinjを当てはめることにより、平均筒内圧Pcly_aveを算出することができる。すなわち、選択された線分に当てはめられた噴射期間差分Δtinjに対応する筒内圧Pclyが平均筒内圧Pcly_aveとして推定される。
以上のように算出、推定された平均筒内圧Pcly_aveを図4に示す筒内圧P(θ)に代えて採用し、演算を行うことによりパイロット発熱量Qplを算出することができる。
(第4実施形態)
つぎに、第4実施形態につき、図18乃至図21を参照しつつ説明する。第4実施形態は、第3実施形態と同様に、第1実施形態における筒内圧P(θ)に代えて、開弁時の筒内圧Pcly_opを採用する形態である。筒内圧Pcly_opは、第3実施形態と同様に圧力計117により取得される燃料入口圧力波形を解析することにより取得される。
まず、ステップS51では、開弁時の筒内圧力推定が必要であるか否かを判断する。具体的に、過渡運転時の過給遅れの学習や過給機の劣化等による異常を判定するタイミングであるか否かを判断する。ステップS51でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。
ステップS51でYesと判断したときは、ステップS52へ進む。ステップS52では、圧力計117により燃料入口圧力波形を取得する。図16は、燃料入口圧力波形の測定結果の例を示す説明図である。ステップS53では、この波形を解析することにより、初期圧力降下量αを取得する。図19は、燃料入口圧力の変化の一例を示すグラフである。このグラフを参照すると、初期圧力降下量αi、最大噴射率dQmax及び噴射期間tinjを把握することができる。
ステップS54では、噴射圧Pcrを取得する。噴射圧Pcrは、レール圧センサ121の計測値として取得される。そして、ステップS55では、基準の初期圧力降下量α0を算出する。基準の初期圧力降下量α0は、ステップS54で取得された噴射圧Pcrの一次元マップより取得される。
ステップS56では、初期圧力降下量の差分Δαを算出する。具体的に式4の演算を行う。
式4
Δα=αi−α0
なお、添字のiは計測値であることを示し、添字の0は基準の値であることを示す。
ステップS57では、図20に示す開弁時の筒内圧Pcly_opを取得するために参照されるマップを参照して開弁時の筒内圧Pcly_opが算出される。図20を参照すると、まず、噴射圧Pcrの値により、参照する線分が選択される。線分は、噴射圧Pcrが低いほど傾きが大きく、初期圧力降下量の差分Δαの影響を受け易くなっている。参照すべき線分が選択された後は、Δαを当てはめることにより、開弁時の筒内圧Pcly_opを算出することができる。
以上のように算出、推定された開弁時の筒内圧Pcly_opを図4に示す筒内圧P(θ)に代えて採用し、図4に示すステップS5において演算を行うことによりパイロット発熱量Qplを算出することができる。ここで、図12に示す情報に、パイロット噴射とメイン噴射による熱発生率の時間変化の情報を重ねて示す図21を参照しつつ、パイロット発熱量Qplの算出について説明する。図21を参照すると、メイン噴射時の筒内圧Pcly_opは、ピストンの圧縮動作による圧力上昇分と、パイロット噴射による圧力上昇分とに分けることができる。図21中、パイロット噴射による圧力上昇分に着目すると、噴孔腐食が有る場合のパイロット噴射分は、噴孔腐食が無い場合のパイロット噴射分と比較して圧力上昇幅が大きい。これは、図21に熱発生率の変化を示すように、噴孔腐食の有無によってパイロット発熱量Qplが異なるためである。パイロット発熱量Qplが異なるのは、噴孔腐食が有る場合、噴孔出口端の径が大きくなることから、噴霧貫徹力が弱まり、筒内(燃焼室)の中心付近で燃焼することに起因する。すなわち、噴孔腐食が有るときは、パイロット噴射による発熱量が増加し、そのパイロット発熱量Qplの増加が筒内圧の変化となり、筒内圧Pcly_opの値に現れる。従って、メイン噴射時の筒内圧Pcly_opを取得し、ステップS5において、取得した筒内圧Pcly_opと、噴孔腐食が無い場合の筒内圧Pcly_opとを比較することによってパイロット発熱量Qplを推定することができる。以後、ステップS6以下の処理を行うことにより、噴孔腐食の有無を判定することができる。
(第5実施形態)
つぎに、第5実施形態につき、図22、図23を参照しつつ、説明する。第5実施形態は、第3実施形態や第4実施形態と同様の燃料噴射装置201を備える。第5実施形態は、第3実施形態や第4実施形態と噴孔腐食の有無の判定プロセスが異なる。
まず、ステップS101では、圧力計117により、燃料入口圧力波形を取得する。そして、ステップS102では、第4実施形態と同様に初期圧力降下量αiを取得する。そして、ステップS103では、図18に示したフロー図におけるステップS57と同様に、メイン噴射の開弁時の筒内圧Pcly_opを算出する。ここで、筒内圧Pcly_opには、パイロット燃焼による圧力上昇分が含まれている。
そして、ステップS104では、吸気圧センサ118によりインマニ圧力Pimを取得する。さらに、ステップS105では、メイン噴射の時期、すなわち、メイン噴射時期θinjを取得する。そして、ステップS106において、ステップS104で取得したインマニ圧力PimとステップS105で取得したメイン噴射時期θinjからメイン噴射時の筒内圧Pcly_calを算出する。ここで、筒内圧Pcly_calは、パイロット噴射による圧力上昇が考慮されない値として算出される。
さらに、ステップS107では、ステップS103で取得した開弁時の筒内圧Pcly_opとステップS106で算出したメイン噴射時の筒内圧Pcly_calから、パイロット噴射による圧力上昇Pcomb_plを算出する。すなわち、パイロット噴射による圧力上昇が反映されている燃料入口圧力波形から算出される筒内圧Pcly_opとパイロット噴射による圧力上昇が考慮されることなく算出された筒内圧Pcly_calとから、パイロット噴射による圧力上昇Pcomb_plが算出される。
ステップS108では、パイロット噴射量Qplを推定する。パイロット噴射量Qplは、図23にハッチングをして示したように、圧力計117により取得した燃料入口圧力の低下分として把握される。
ステップS109では、ステップS108で取得したパイロット噴射量QplとステップS104で取得したインマニ圧力Pimからパイロット噴射による圧力上昇Pcomb_pl_calを算出する。すなわち、噴孔腐食が発生していない状態でパイロット噴射量Qplが着火し、燃焼したときの計算上の理論値として圧力上昇Pcomb_pl_calを算出する。このステップS109における演算に用いられるパイロット噴射量Qplは、基準燃料噴射量としての意義を有することとなる。また、筒内圧は、発熱量と相関性を有するため、圧力上昇Pcomb_pl_calは、基準発熱量としての意義を有することとなる。
そして、ステップS110では、パイロット噴射量Qplに変化ないか否かを確認する。具体的に、噴孔腐食がない状態のときのパイロット噴射量として予め記憶されているパイロット噴射量Qplと比較して差異が認められないか否かを確認する。ステップS110でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。ステップS110でYesと判断したときは、ステップS111へ進む。ステップS111では、ステップS107で算出した圧力上昇Pcomb_plがステップS109で算出された圧力上昇Pcomb_pl_calよりも大きくなっているか否かを判断する。ステップS111でYesと判断したときは、ステップS112へ進み、噴孔腐食が発生していると判断する。すなわち、燃料噴射量の差異が認められない場合に、実測された圧力上昇Pcomb_plが大きくなっている場合は、インジェクタ異常が発生している、より具体的に、噴孔腐食が発生していると判断する。噴射燃料量が同一であるにもかかわらず、圧力が高くなる、すなわち、発熱量が大きくなる現象は、噴孔腐食が発生しているときに特有の現象だからである。
以上説明したように、第5実施形態によっても、インジェクタ107の異常発生の有無、インジェクタ107の噴孔腐食の有無を適切に判断することができる。
なお、圧力上昇Pcomb_plと、圧力上昇Pcomb_pl_calとが異なっている場合は、パイロット燃焼異常が発生していると判断することができる。このように、圧力上昇Pcomb_plと、圧力上昇Pcomb_pl_calとの比較は、パイロットの燃焼状態の推定に用いることができる。
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
1 燃料噴射装置 100 エンジン
101 エンジン本体 102 インテークマニホールド
103 エキゾーストマニホールド 104 吸気管
105 排気管 107 インジェクタ
111 ECU 115 筒内圧センサ
116 クランク角センサ 117 圧力計
120 ニードルリフトセンサ

Claims (5)

  1. エンジンの筒内へ燃料を噴射するインジェクタと、
    前記インジェクタにより噴射された燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得部と、
    前記インジェクタにより噴射され着火した燃料の発熱量を取得する発熱量取得部と、
    前記燃料噴射量取得部によって取得された燃料噴射量と基準燃料噴射量との差が所定範囲内であり、かつ、前記発熱量取得部によって取得された発熱量が前記基準燃料噴射量に対応する基準発熱量よりも大きいと判断した場合に、インジェクタ異常が発生していると判断する制御部と、
    を、備える燃料噴射装置。
  2. 前記制御部は、パイロット噴射における燃料噴射量と前記基準燃料噴射量との比較及び前記パイロット噴射における発熱量と前記基準発熱量との比較を行ってインジェクタ異常の発生の有無を判断する請求項1に記載の燃料噴射装置。
  3. 前記制御部は、フェーエルカット制御実行時に行う単発燃料噴射における前記単発噴射における発熱量と前記基準発熱量との比較を行ってインジェクタ異常の発生の有無を判断する請求項1に記載の燃料噴射装置。
  4. 前記発熱量取得部は、筒内圧に基づいて前記着火した燃料の発熱量を取得する請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
  5. 前記発熱量取得部は、前記インジェクタに導入される燃料の圧力変動に基づいて前記着火した燃料の発熱量を取得する請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
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