JP6136855B2 - 噴射異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、インジェクタの噴射異常を検出する噴射異常検出装置に関する。

インジェクタの噴射異常を検出する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、噴孔を開閉する弁部材であるニードルに噴孔を閉じる方向に力を加える背圧室（制御室）の燃料圧力を調整することにより燃料噴射を制御されるインジェクタの噴射異常を検出する技術が開示されている。

特許文献１では、インジェクタに噴射が指令されていないときの背圧室からの静的リーク量、あるいはインジェクタに噴射が指令されたときに噴射開始前に背圧室からリークする動的リーク量を、圧力センサで検出する燃料圧力の変動値に基づいて算出する。そして、静的リーク量または動的リーク量と所定の閾値とをそれぞれ比較することにより異常判定を行おうとしている。

特開２０１０−２１６３８３号公報

しかしながら、圧力センサが検出する燃料圧力の変動値に基づいて、背圧室からリークする僅かなリーク量を高精度に算出することは困難である。さらに、正常なインジェクタと異常なインジェクタとのリーク量の差は僅かであるから、算出したリーク量と所定の閾値とを単に比較するだけでは異常判定を高精度に行うことは困難である。

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、インジェクタの噴射異常を高精度に検出する噴射異常検出装置を提供することを目的とする。

本発明の噴射異常検出装置によると、噴射制御手段と、検出値取得手段と、検出指令手段と、噴射量判定手段と、異常判定手段と、を備えている。
噴射制御手段は、噴射指令信号のパルスが噴射開始を指令することにより第１の弁部材がシート面から離座して、噴孔を閉じる方向に第２の弁部材に力を加える制御室の高圧燃料が低圧側に流出することを許可して制御室の燃料圧力を低下させ、パルスが噴射終了を指令することにより第１の弁部材がシート面に着座して、制御室の高圧燃料が低圧側に流出することを禁止して制御室の燃料圧力を上昇させることにより、制御室の燃料圧力を調整してインジェクタの燃料噴射を制御する。
検出値取得手段は、インジェクタの噴射量または噴射量に関連する物理量としてエンジン回転数の変動量または燃料圧力の変動量のうちのいずれかの検出値を取得する。検出指令手段は、定常運転のときに、インジェクタが１燃焼サイクルにおいて燃料噴射を複数回行う多段噴射において、パルスが噴射終了を指令してからパルスが噴射開始を指令するまでのインターバル時間を基準時間から徐々に短縮する異常検出制御を実行するように噴射制御手段に指令する。

噴射量判定手段は、検出指令手段からの指令により噴射制御手段が異常検出制御を実行するときに検出値取得手段が取得する各燃焼サイクルにおける検出値が、噴射量が所定噴射量を超えたことを示しているか否かを判定する。

ここで、多段噴射のインターバル時間を短縮していくと、多段噴射において制御室の燃料圧力を上昇させ噴孔を閉じる方向に弁部材に力を加えて前段の燃料噴射を終了するときに、制御室の燃料圧力が十分に上昇する前に後段の燃料噴射のために制御室の燃料圧力を低下させる制御が開始されるようになる。

これにより、後段の燃料噴射を指令したときに制御室の燃料圧力の低下が早まるので、後段の燃料噴射の開始タイミングが早まる。したがって、多段噴射のインターバル時間を短縮していくと、正常な燃料噴射を行うインジェクタであっても、１燃焼サイクルにおける噴射量は増加する。

制御室の燃料圧力は、通常、電気的に制御される開閉弁で制御室と低圧側との間を開放および遮断することにより調整される。しかし、開閉弁のシート部が異物等により傷つき、制御室と低圧側との間が傷により開放される異常が発生しているインジェクタにおいては、制御室の燃料圧力が上昇しにくくなり、かつ低下しやすくなる。

すると、制御室の燃料圧力を上昇させて燃料噴射を終了するときに噴射終了タイミングが遅くなり、制御室の燃料圧力を低下させて燃料噴射を開始するときに噴射開始タイミングが早くなる。その結果、インターバル時間を短縮すると、正常なインジェクタよりも異常なインジェクタの噴射量が早く増加する。そして、正常なインジェクタの噴射量と異常なインジェクタの噴射量との差は、インターバル時間が短くなるにしたがい大きくなる。

言い換えれば、インターバル時間を短縮していくときに、噴射量が所定噴射量を超えるときのインターバル時間は、正常なインジェクタよりも異常なインジェクタの方が長くなる。

そこで、本発明の噴射異常検出装置の異常判定手段は、異常検出制御において噴射量が所定噴射量を超えたことを検出値が示していると噴射量判定手段が判定するときの燃焼サイクルにおけるインターバル時間が所定時間を超えている場合、インジェクタは噴射異常であると判定する。

この構成によれば、多段噴射のインターバル時間を徐々に短縮し、増加していく噴射量または噴射量に関連する物理量のいずれかの検出値が、噴射量が所定噴射量を超えたことを示しているか否かを、まず判定する。多段噴射の噴射量は、リーク量に比べて大きな値であるから、噴射量が所定噴射量を超えたことを示す検出値に対する検出誤差の割合は小さくなる。したがって、噴射量が所定噴射量を超えたことを検出値が示しているか否かを高精度に判定できる。

さらに、噴射量が所定噴射量を超えたことを検出値が示しているときのインターバル時間は噴射制御手段がインジェクタに指令する制御量であるから正確である。このインターバル時間が所定時間を超えている場合に噴射異常であると判定するので、正常なインジェクタと区別して噴射異常であるか否かを高精度に判定できる。

本実施形態による燃料噴射システムを示す構成図。 インジェクタの制御室と、その周囲の構造を示す模式図。 噴射異常時の制御室圧、噴射率を示すタイムチャート。 噴射指令信号のインターバル時間を短縮するときの噴射量の特性図。 噴射指令信号のインターバル時間を短縮するときの制御室圧、噴射率を示すタイムチャート。 噴射異常検出処理を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。 図１に示す本実施形態の燃料噴射システム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。）２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、インジェクタ３０と、電子制御装置(Electronic Control Unit：ＥＣＵ)５０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で調量される。

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部材である。コモンレール２０には、内部の燃料圧力（コモンレール圧）を検出する圧力センサ２２、および、コモンレール圧が所定圧を超えると開弁してコモンレール２０内の燃料を排出するプレッシャリミッタ２４が設けられている。

エンジン２には、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４０が設置されている。さらに、運転状態を検出する他のセンサとして、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燃料噴射システム１０に設けられている。

インジェクタ３０は、エンジン２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。インジェクタ３０は、噴孔を開閉するノズルニードルのリフトを図２に示す制御室１００の圧力で制御する公知の弁である。インジェクタ３０の噴射量は、ＥＣＵ５０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。

インジェクタ３０の噴孔を開閉する図示しないノズルニードルに対し噴孔と反対側に、弁ボディ３２に収容された制御ピストン３４が設置されている。弁ボディ３２の内周壁と制御ピストン３４とオリフィスプレート３６とにより制御室１００が区画形成されている。制御室１００の燃料圧力（制御室圧とも言う。）は、噴孔を閉じて燃料噴射を遮断する方向に制御ピストン３４およびノズルニードルに力を加える。

オリフィスプレート３６には流入オリフィス１０２と流出オリフィス１０４とが形成されている。流出オリフィス１０４のオリフィス径は流入オリフィス１０２のオリフィス径よりも大きい。流入オリフィス１０２を介してコモンレール２０から高圧燃料が制御室１００に供給される。

ボール弁３８は、ボールの一部が切り取られて円形の平面３８ａを有している形状に形成されている。この平面３８ａがオリフィスプレート３６の制御室１００と反対側のシート面３６ａに着座することにより、流出オリフィス１０４を介して制御室１００の高圧燃料が低圧側に流出することが禁止される。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等を中心とするマイクロコンピュータにて主に構成されている。ＥＣＵ５０は、ＲＯＭまたはフラッシュメモリに記憶されている制御プログラムをＣＰＵが実行することにより、圧力センサ２２、回転数センサ４０を含む各種センサから取り込んだ出力信号に基づき、燃料噴射システム１０の各種制御を実行する。

例えば、ＥＣＵ５０は、圧力センサ２２が検出するコモンレール圧が目標圧力になるように燃料供給ポンプ１４の吐出量を調量する。
また、ＥＣＵ５０は、インジェクタ３０の燃料噴射量、燃料噴射時期、ならびに、メイン噴射の前にパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射の後にアフター噴射、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。

ＥＣＵ５０は、インジェクタ３０に噴射を指令する噴射指令信号のパルス幅（Ｔ）と噴射量（Ｑ）との相関を示す所謂ＴＱマップを、コモンレール圧の所定の圧力範囲毎にＲＯＭまたはフラッシュメモリに記憶している。そして、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数およびアクセル開度に基づいてインジェクタ３０の噴射量が決定されると、圧力センサ２２が検出したコモンレール圧に応じて該当する圧力範囲のＴＱマップを参照し、決定された噴射量をインジェクタ３０に指令する噴射指令信号のパルス幅をＴＱマップから取得する。

（インターバル時間と噴射量の関係） 流出オリフィス１０４のオリフィス径は流入オリフィス１０２のオリフィス径よりも大きいので、ボール弁３８がオリフィスプレート３６から離座すると、流入オリフィス１０２を介しコモンレール２０から制御室１００に流入する燃料量よりも、流出オリフィス１０４を介して制御室１００から低圧側に流出する燃料量の方が多くなる。

その結果、制御室１００の燃料圧力が低下すると、噴孔を閉じる方向にノズルニードルに加わる力よりも噴孔を開く方向にノズルニードルに加わる力が大きくなるので、噴孔から燃料が噴射される。

ボール弁３８がオリフィスプレート３６に着座すると、流出オリフィス１０４から制御室１００の燃料が流出しないので、流入オリフィス１０２から制御室１００に流入する高圧燃料により制御室１００の燃料圧力が上昇する。その結果、制御室１００の燃料圧力が上昇すると、噴孔を閉じる方向にノズルニードルに加わる力が大きくなるので、噴射が遮断される。

ここで、オリフィスプレート３６のシート面３６ａに異物等により傷がつくと、ボール弁３８がオリフィスプレート３６に着座しても制御室１００と低圧側との間が傷を介して僅かに開放される。この状態で噴射指令信号をインジェクタ３０に加えると、図３の点線に示すように、制御室１００の圧力が低下するタイミングは早くなり、制御室１００の圧力が上昇するタイミングは遅くなる。

その結果、図３の点線で示す噴射率のように、噴射開始タイミングは早くなり、噴射終了タイミングは遅くなるので、シート面３６ａに傷がついていない場合よりも噴射量が増加する。

また、１燃焼サイクルで複数回の燃料噴射を行う多段噴射をインジェクタ３０に指令するときに、図４に示すように、噴射指令信号のパルス間のインターバル時間（Ｔｉｎｔ）を短縮すると、噴射量（Ｑｉｎｊ）は増加する。

そして、インターバル時間を短縮すると、シート面３６ａに傷がついていない正常なインジェクタ３０の噴射特性２００とシート面３６ａに傷がついている異常なインジェクタ３０の噴射特性２０２とが示すように、正常なインジェクタ３０よりも異常なインジェクタ３０の方が、インターバル時間（Ｔｉｎｔ）を短縮していくときに噴射量が早く上昇する。

言い換えれば、インターバル時間を短縮していくときに、噴射量が所定噴射量を超えるときのインターバル時間は、正常なインジェクタ３０よりも異常なインジェクタ３０の方が長くなる。

多段噴射における２段目の噴射に着目すると、図５に示すように、インターバル時間をＴｂからＴａに短縮すると、正常なインジェクタ３０の制御室圧の変化特性２１０に対し、シート面３６ａに傷がついている異常なインジェクタ３０の制御室圧の変化特性２１２においては、１段目の噴射指令パルスが立ち下がって噴射終了を指令してから２段目の噴射指令パルスが立ち上がって噴射開始を指令するときに、制御室１００の燃料圧力が十分に上昇する前に低下を開始している。

その結果、正常なインジェクタ３０の噴射率の変化特性２２０に対し、異常なインジェクタ３０の噴射率の変化特性２２２が示すように、異常なインジェクタ３０においては、１段目の噴射が終了する前に２段目の噴射が開始する。したがって、インターバル時間を短縮すると、正常なインジェクタ３０よりも異常なインジェクタ３０の噴射量は早く増加する。

（噴射異常検出処理）
次に、噴射異常検出処理について図６のフローチャートに基づいて説明する。図６において「Ｓ」はステップを表わしている。図６の噴射異常検出処理は常時実行してもよいし、車両に設置された噴射異常検出処理の実行スイッチ、あるいはディーラ等で車両に外部ツールを接続し、外部ツールからの指令により実行してもよい。

本実施形態では、図６の噴射異常検出処理を、一つの気筒のインジェクタ３０について終了すると次の気筒のインジェクタ３０について実行する。
Ｓ４００においてＥＣＵ５０は、噴射異常検出条件が成立しているか否かを判定する。例えば、エンジン２がアイドル運転または定速運転を行う定常運転状態であることを噴射異常検出条件とすることが考えられる。定常運転状態においては、多段噴射のインターバル時間を短縮するときの噴射量の変化に対する外乱の影響を極力排除できる。

噴射異常検出条件が成立すると（Ｓ４００：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は、多段噴射のインターバル時間を基準時間である最大値に設定し（Ｓ４０２）、今回の異常検出対象である一つの気筒のインジェクタ３０に対し異常検出制御として多段噴射を指令する（Ｓ４０４）。そして、エンジン回転数の変動量を取得する（Ｓ４０６）。

エンジン回転数の変動量からエンジン２の出力トルクを算出し、算出した出力トルクから噴射量を推定することができる。エンジン回転数の変動量が大きいほど噴射量は大きい。

エンジン回転数の変動量が所定値以下であれば（Ｓ４０８：Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は今回よりもインターバル時間を短縮し（Ｓ４１０）、Ｓ４０４に処理を移行する。
エンジン回転数の変動量が所定値を超えると（Ｓ４０８：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０は、そのときのインターバル時間を記憶し（Ｓ４１２）、インターバル時間が所定時間を超えているか否かを判定する（Ｓ４１４）。インターバル時間が所定時間以下であれば（Ｓ４１４：Ｎｏ）、インジェクタ３０は正常であると判断し、ＥＣＵ５０は本処理を終了する。

エンジン回転数の変動量が所定値を超えるときのインターバル時間が所定時間を超えている場合（Ｓ４１４：Ｙｅｓ）、例えばオリフィスプレート３６のシート面３６ａに傷が形成されているための噴射異常であると判定し（Ｓ４１６）、ＥＣＵ５０は本処理を終了する。

ＥＣＵ５０は、噴射異常であると判定すると、噴射異常であることを、例えば警告灯を点灯するか、あるいは噴射異常であることを示す診断コードをフラッシュメモリに記憶することにより報知する。

以上説明した本発明の実施形態では、多段噴射のインターバル時間を徐々に短縮し、増加していく噴射量に関連する物理量としてエンジン回転数の変動量を検出値として取得し、検出値であるエンジン回転数の変動量が所定値を超えているか否を判定することにより、噴射量が所定噴射量を超えているか否かを判定する。

多段噴射の噴射量はリーク量に比べて大きな値であるから、エンジン回転数の変動量が所定値を超えているか否を判定することにより、噴射量が所定噴射量を超えているか否かを高精度に判定できる。

さらに、噴射量が所定噴射量を超えたことをエンジン回転数の変動量が示しているときのインターバル時間は、ＥＣＵ５０がインジェクタ３０に指令する制御量であるから正確である。このインターバル時間が所定時間を超えている場合に噴射異常であると判定するので、噴射異常であるか否かを高精度に判定できる。

本実施形態では、噴射量に関連する物理量の検出値としてエンジン回転数の変動量を取得した。エンジン回転数は通常の車両においてエンジン運転状態を知るために検出されているので、新たにセンサを追加することなく噴射量に関連する物理量の検出値を容易に取得できる。

また、本実施形態では、噴射異常検出処理を、一つの気筒のインジェクタ３０について終了すると次の気筒のインジェクタ３０について実行する。これにより、他の気筒の噴射異常検出処理によるエンジン回転数の変動の影響を受けずに、該当気筒のインジェクタ３０について、エンジン回転数の変動量に基づいて噴射異常を検出できる。

［他の実施形態］
図６に示す噴射異常検出処理において、噴射量が所定噴射量を超えたことを、エンジン回転数の変動量を絶対量である所定値と比較することにより判定した。これに対し、インターバル時間を基準時間として最大値にしたときのエンジン回転数の変動量と、インターバル時間を基準時間から短縮したときのエンジン回転数の変動量との比に基づいて、噴射量が所定噴射量を超えたことを判定してもよい。

この判定方法によれば、インターバル時間に関わらずにノズルニードルのシート径などの変化により噴射量が変化した場合に、噴射量の変化に関わらず、インターバル時間を基準時間にしたときのエンジン回転数の変動量に対する割合に基づいて、噴射量が所定噴射量を超えたことを判定できる。

また、エンジン回転数の変動量が所定値を超えたときのインターバル時間を、噴射異常の原因に応じて適宜設定された複数の異なる所定時間と比較してもよい。インターバル時間が各所定時間を超えているか否かを判定することにより、オリフィスプレートの異常を含め、噴射異常の原因を分類できる。

上記実施形態では、図６に示す噴射異常検出処理を、一つの気筒のインジェクタ３０について終了すると、次の気筒のインジェクタ３０について実行した。これに対し、噴射異常検出条件が成立すると、全気筒の各噴射タイミングにおいて多段噴射のインターバル時間を徐々に短縮していき、各気筒のインジェクタ３０の噴射異常を検出してもよい。

また、インジェクタ３０の噴射圧力の変動を、例えばインジェクタ３０に内蔵された圧力センサにより高精度に検出できる構成であれば、インジェクタ３０の噴射量に関連する物理量の検出値として、エンジン回転数の変動量に代えて燃料圧力の変動量を採用してもよい。また、当然のことながら、インジェクタ３０の噴射量を直接検出できるのであれば、検出値としてインジェクタ３０の噴射量を取得してもよい。

このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

１０：燃料供給ポンプ、１４：燃料供給ポンプ、２０：コモンレール、３０：インジェクタ、５０：ＥＣＵ（噴射異常検出装置、噴射制御手段、検出値取得手段、検出指令手段、噴射量判定手段、異常判定手段）、１００：制御室

Claims (5)

1. 噴射指令信号のパルスが噴射開始を指令することにより第１の弁部材（３８）がシート面（３６ａ）から離座して、噴孔を閉じる方向に第２の弁部材に力を加える制御室（１００）の高圧燃料が低圧側に流出することを許可して前記制御室の燃料圧力を低下させ、前記パルスが噴射終了を指令することにより前記第１の弁部材が前記シート面に着座して、前記制御室の高圧燃料が低圧側に流出することを禁止して前記制御室の燃料圧力を上昇させることにより、前記制御室の燃料圧力を調整してインジェクタ（３０）の燃料噴射を制御する噴射制御手段（Ｓ４０４）と、
   前記インジェクタの噴射量または前記噴射量に関連する物理量としてエンジン回転数の変動量または燃料圧力の変動量のうちのいずれかの検出値を取得する検出値取得手段（Ｓ４０６）と、
   定常運転のときに、前記インジェクタが１燃焼サイクルにおいて燃料噴射を複数回行う多段噴射において、前記パルスが噴射終了を指令してから前記パルスが噴射開始を指令するまでのインターバル時間を基準時間から徐々に短縮する異常検出制御を実行するように前記噴射制御手段に指令する検出指令手段（Ｓ４００、Ｓ４０２、Ｓ４１０）と、
   前記検出指令手段からの指令により前記噴射制御手段が前記異常検出制御を実行するときに前記検出値取得手段が取得する各燃焼サイクルにおける前記検出値が、前記噴射量が所定噴射量を超えたことを示しているか否かを判定する噴射量判定手段（Ｓ４０８）と、
   前記噴射量が前記所定噴射量を超えたことを前記検出値が示していると前記噴射量判定手段が判定するときの燃焼サイクルにおける前記インターバル時間が所定時間を超えている場合、前記インジェクタは噴射異常であると判定する異常判定手段（Ｓ４１４、Ｓ４１６）と、
   を備えることを特徴とする噴射異常検出装置（５０）。
2. 前記検出値取得手段は、前記検出値として前記エンジン回転数の変動量を取得し、
   前記噴射量判定手段は、前記検出値取得手段が取得する前記エンジン回転数の変動量が所定値を超えると前記噴射量が前記所定噴射量を超えたことを示している判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の噴射異常検出装置。
3. 前記検出値取得手段は、前記検出値として前記エンジン回転数の変動量を取得し、
   前記噴射量判定手段は、前記インターバル時間が前記基準時間であるときに前記検出値取得手段が取得する前記エンジン回転数の変動量と、前記異常検出制御が実行されるときに各燃焼サイクルにおいて前記検出値取得手段が取得する前記エンジン回転数の変動量との比に基づいて、前記噴射量が前記所定噴射量を超えたことを示しているか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の噴射異常検出装置。
4. 前記検出指令手段は、一つの前記インジェクタに対する前記異常検出制御を前記噴射制御手段に指令して前記異常判定手段の判定が終了すると、次の一つの前記インジェクタに対する前記異常検出制御を前記噴射制御手段に指令することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の噴射異常検出装置。
5. 前記検出指令手段は、アイドル運転のときに前記定常運転であると判断することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の噴射異常検出装置。

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