JP6154487B2 - 燃料品質の判定方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼機関用の燃料の燃料品質の判定方法と装置並びにコンピュータプログラムとコンピュータプログラム製品に関する。
バイオディーゼル油とは、植物油系又は動物脂肪系のディーゼル燃料のことで、例として菜種油、ヤシ油、又は大豆油から取れる脂質とアルコールを化学反応させて作り、メチル基、プロピル基又はエチル基の長鎖のアルキルエステルを生成する。バイオディーゼル油は、標準のディーゼルエンジンで使用される。噴射ポンプを装備した標準のディーゼルエンジンでは、バイオディーゼル油は、同質タイプ(「B100」)で非混合のものを使用するか、或いは濃度には関係なく鉱物系ディーゼル燃料(石油系ディーゼル油)と混合できる。しかしながら、例えば、新しい高圧力(29000psi=200Mpa)のコモンレール噴射方式のディーゼルエンジンは、製造業者によってB5又はB20(混合バイオディーゼル油の体積百分率5%及び20%の最大許容値を意味する)の厳格な工場制限を設けている。
バイオディーゼル油は、燃焼機関を変更しないで燃料として使用可能である。しかしながら、バイオディーゼル油並びに合成ディーゼル油は、石油系ディーゼル油とは異なった、濃度と特定の発熱量を有する。このため、燃焼成分の変わる燃料を使用する際に同じエンジントルク及び同じ回転速度を実現するため、例えば噴射システムの燃料品質の変更が必要となる場合がある。このことは、排気温度並びに排気成分に影響することがあるので、一方では噴射燃料の特性を変更すると、エンジン制御の制御パラメータの手直しが必要となる場合がある。
例えば、エンジンに生じる煤の量並びに酸化窒素の含有量は、燃料成分が影響し、石油系ディーゼル油と比較して改善できることもあるので、排気回生を適用することも必要である。そのような合成ディーゼル油又はバイオディーゼル油添加物が、石油系ディーゼル油と一緒に使用されるか、又は、石油系ディーゼル油がそのような代替燃料に全て取り替えられた場合、一般に、エンジンのキャリブレーションは、排気ガス、騒音、燃料消費等に対して通常最適に対応されない。
特許文献1は、車両での直噴式内燃機関用燃料の品質の判定方法を開示している。コモンレール燃料噴射方式は、PIDレギュレータにより制御される燃料ポンプからなる。燃料の粘度が変化すると、PIDレギュレータのI値が変化する。少し変化した粘度及び、そのため少し変化したレール圧力に対しても変化する。続いて、新規のI値を特性マップに格納されている基準値と組み合わせて使用して、新しい粘度を判定できる。燃料の粘度の評価は、内燃機関の静止モード又は下降行程モード時に行われる。
特許文献2は、圧力上昇曲線を解析することにより、高圧インジェクターにおける燃料品質を判定する方法に関するものである。
特許文献3は、ある期間にわたって高圧部の圧力測定を行って燃料の種類を特定する方法に関するものである。
特許文献4及び特許文献5は、圧力信号を使用して燃料の種類の特性付けに係わる方法に関するものである。
特許文献6は、磁気弁の動作解析を行って燃料の種類の判定に係わる方法に関するものである。
特許文献7は、可動弁エレメントの動作を利用して、燃料のエネルギー含量に重要な値の測定に係わる方法に関するものである。
欧州特許出願公開第2 080 888号明細書 独国特許出願公開第10 2011 077 404号明細書 国際公開第2009/056402号 欧州特許出願公開第0 828 070号明細書 欧州特許出願公開第1 873 378号明細書 独国特許出願公開第102 52 476号明細書 国際公開第02/084101号
本発明の一つの目的は、車両における既存のハードウエアで、可能な限り迅速かつ正確に燃料品質を判定する方法と装置を提供することである。
他の目的は、そのような方法を実施するためのコンピュータプログラム、コンピュータシステム及びコンピュータプログラム製品を提供することである。
これらの目的は、独立請求項の要点で実現される。他の請求項、図面及び記述説明で、本発明の有利な実施の形態について開示する。
本発明の第一の態様により、燃料は低圧燃料タンクから高圧容器に運ばれ、燃焼機関の少なくとも一つのシリンダーに噴射され、当該少なくとも一つのシリンダーへの燃料噴射量を直接又は間接的に制御するために制御弁が設けられる、燃焼機関、特にディーゼルエンジン用の燃料の燃料品質を判定するための方法を提案する。制御弁タイミング信号の実際値を、制御弁タイミング信号の基準値と比較し、制御弁タイミング信号の実際値と基準値との差から燃料の特性パラメータを得る。
更に又は或いは、高圧容器の圧力上昇勾配の基準値と比較して、高圧容器の蓄圧段階時の圧力上昇勾配から燃料品質パラメータを得る。
本方法は、好都合なことに、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射方式並びに単体噴射方式で使用可能である。
制御弁は、好都合なことに、燃料タンクと高圧容器(コモンレール噴射方式のコモンレール、又は単体噴射方式の燃料ポンプのポンプ室である)との間のスピル弁とすることが可能である。燃料供給装置のスピル弁タイミング信号の実際値と基準値との差から、及び/又は圧力勾配の実際値と燃料系統の圧力勾配の基準値との差から、燃料品質パラメータを得ることができる。
燃料は、好都合なことに、最初の圧力の燃料タンクから最初の圧力より強い圧力の高圧容器まで運ばれ、ディーゼルエンジンの少なくとも一つのシリンダーに噴射することができる。ここでは、スピル弁は、高圧容器の燃料圧力を制限するため設けられている。
好ましい実施の形態において、制御弁タイミング及び/又はその作動継続時間を調整することで、圧力の閉ループ制御により、高圧容器において必要な圧力が設定される。
制御弁タイミング信号の実際値は、好都合なことに、一定のエンジントルクで決めることができる。制御弁タイミングを決定する精度は、エンジンの安定運転状態によって改善される。
さらに好都合な実施の形態において、制御弁タイミング信号の実際値は、燃料の実温度でさらに緻密化されてもよい。燃料濃度と燃料粘度は、温度に依存しないようにできるので、本発明方法の精度は改善できる。
さらに好ましい実施の形態において、高圧容器の圧力信号の実際値は、燃料の実温度でさらに緻密化されてもよい。燃料濃度と燃料粘度は、温度に依存しないようにできるので、本発明方法の精度は改善できる。
さらに好都合な実施の形態において、制御弁タイミング信号の基準値は、基準燃料の特性曲線一式から得ることができる。基準燃料は、パラメータが周知されている石油系ディーゼル油とすることができる。
同質のバイオディーゼル油又は同質の合成ディーゼル油、或いはディーゼル油と合成ディーゼル油又はバイオディーゼル油(例えばRME、RMEは菜種バイオディーゼル油の略語)の混合したもので運転する場合、有利なことに、本発明は燃料品質を判定して燃料成分を測定する課題を解決する。利点は、コモンレール噴射方式の場合に、追加のハードウエアが不要ということである。単体噴射方式の場合は、高圧容器に圧力センサーをつなぐことが好都合である。
追加の燃料センサーの取付けを無くすことができ、よってエンジンの総費用を削減することができる。制御弁タイミング信号は、制御弁の操作を制御する制御ユニットの制御信号から容易に得ることができる。この制御ユニットは、例えば、コモンレール噴射方式のディーゼルエンジンでは、コモンレール装置(レールコントローラーとも呼ばれる)の様々なアクチュエータの動作を制御する制御ユニットとすることができる。タイミング信号は、制御弁に対するオン信号又はオフ信号であることが望ましい。コモンレール噴射方式の場合のスピル弁の作動は、全てのエンジン運転状態に対してプログラム(すなわち、マッピング)され、そのため各々の制御ユニットで対応可能である。
本発明は、燃料が低圧燃料タンクから高圧のコモンレール(高圧容器)に運ばれてから内燃機関の少なくとも一つのシリンダーに噴射されるコモンレール噴射方式で特に利用可能である。
コモンレール噴射方式ディーゼルエンジンにおいて、燃料は低圧燃料タンクから高圧容器、すなわちコモンレールに運ばれ、コモンレールを介してエンジンに噴射される。スピル弁は、圧力制御弁と解釈できる。レール圧力と噴射継続時間で、燃料噴射量が決まる。
例えば、コモンレール噴射方式では、燃料圧力は、高圧容器(レールと呼ぶ)のプランジャー(ピストン)ポンプによって生じる。レール内の圧力は、スピル弁制御によって調整可能である。所定のレール噴射圧力及び(エンジン)シリンダーへの所定の燃料噴射量のためには、プランジャーポンプ動作のある一定のデューティサイクルが必要である。ポンプ動作期間は、レール(レールコントローラ)の制御ユニット(ECU)で使用される「デューティサイクル」と呼ばれるパラメータで表現する。必要レール圧力を得るため、圧力センサーはレールに配置され、適正な圧力の調整は、スピル弁の作動のタイミング及び/又はスピル弁(以下では、スピル弁の作動のタイミング及び/又はその作動継続時間としても記載)の作動継続時間を調整することで、レール圧力の閉ループ制御によって制御される。このことは、燃料の粘度及び/又は濃度等の、物理的な燃料特性における差を検出するために、好んで使用される。これらの燃料特性が変化すれば、ポンプ作業は、同質の石油系ディーゼル油と比較して減らすか増やす必要がある。すなわち、当該デューティサイクルを変更することが必要である。例えば、石油系ディーゼル油以外の実際の燃料の粘度値及び濃度値が、石油系ディーゼル油のものより小さい場合は、それに応じて、ポンプ動作期間は、そのような他の燃料に対して、増やす必要がある。従って、石油系ディーゼル油以外の実際の燃料の粘度値及び濃度値が、石油系ディーゼル油のものより大きい場合は、減らす必要がある。個々の石油系ディーゼル油の特性は、周知され標準化されているので、有利なことに基準特性として利用できる。
或いは又は更に、制御弁タイミング信号の実際値は、燃料タンクからレール(特に、コモンレール噴射方式において)等の高圧容器まで燃料を運ぶ燃料ポンプのポンプ動作期間の実際値で、より緻密化できる。本方法の正確性及び堅牢性は、制御弁タイミング信号の実際値を決定するための信号をより多く含むことで改善可能である。
本方法は、燃料を少なくとも一つのシリンダーに噴射中にポンプ動作が行われる間にポンプ室で燃料を圧縮する単体噴射方式でも特に使用可能である。特に、単体噴射方式のディーゼルエンジンでは、燃料がエンジンの各シリンダーのニードル弁によって噴射される。スピル弁は、燃料ポンプと燃料タンクとの間に設けられる。単体噴射方式の場合、スピル弁タイミングは、特定のクランク角度位置に対応する。燃料品質パラメータは、スピル弁タイミングから、並びに燃料噴射時の、高圧容器、特にポンプ室における、スピル弁タイミング(すなわち、クランク角度位置)に対する畜圧段階時の圧力勾配から得ることが可能である。
燃料品質パラメータは、高圧容器、特に燃料ポンプのポンプ室の圧力信号の基準値と比較して、高圧容器の畜圧段階時の圧力上昇勾配から得られる。
単体噴射方式の場合、スピル弁の起動は、エンジン運転状態全てに対してプログラム(すなわち、マッピング)されており、そのためスピル弁制御等の個々の制御ユニットで対応可能である。そのような方式においては、コモンレールはない。燃料ポンプは、単体噴射方式の場合の高圧容器であるポンプ室内の燃料を圧縮し、この燃料は、各シリンダーに配備したニードル弁によって個々のシリンダーに噴射される。噴射は、ポンプが燃料を送出している間に行われる。ニードル弁は、燃焼室への燃料噴射、噴射タイミング及び噴射継続時間を制御する。従来技術の方式では、燃料圧力は制御ユニットにおいてマッピングされており、そのため燃料圧力は測定されない。本発明によれば、圧力センサーを高圧容器、すなわち燃料ポンプのポンプ室につなぐことで、圧力はこのポンプ室で決めることが可能である。
単体噴射方式では、好都合なことに、噴射弁のニードル開放圧力を調整することで、及び/又は制御弁のタイミング信号の実際値、及び/又はその作動時間を調節することで、閉ループ制御によって高圧容器内の必要圧力が設定される。
同質のバイオディーゼル油又は同質な合成ディーゼル油、或いはディーゼル油と合成ディーゼル油又はバイオディーゼル油(例えばRME、RMEは菜種バイオディーゼル油の略語)の混合したもので運転する場合、燃料品質を判定することで、本発明は、有利なことに、燃料成分を測定する問題を解決する。追加の燃料センサーの設置を無くすことが可能であり、よってエンジン総費用を削減することができる。
高圧容器の圧力信号は、ポンプ室につないだ、例えばポンプ室内又はその付近の圧力センサーから容易に得られ、制御弁の操作を制御する制御ユニットに送ることが可能である。例えば、単体噴射方式の場合、エンジンがバイオディーゼル油で運転するならば、インジェクター圧力は、石油系ディーゼル油で運転するエンジンと比較して高くなるので、その圧力は監視可能である。
必要とする最大噴射圧が固定されている場合は、燃料ポンプのポンプ室内の圧力は、石油系ディーゼル油よりバイオディーゼル油の方が早く上昇する。このことは、異なる燃料の粘度及び/又は濃度のような物理的な燃料特性における差を検出するのによく利用される。これらの特性が変化すれば、ポンプ室の畜圧段階での圧力上昇勾配は、同質の石油系ディーゼル油と比較して減少又は増加となる。各石油系ディーゼル油の特性は、周知されており標準化しているため、有利なことに基準特性として使用可能である。従来の単体噴射方式では、圧力上昇がより急なものであれば、圧力増加を招き、単体インジェクターが損傷する可能性があった。
本発明のさらにもう一つの態様により、燃料は、低圧燃料タンクから高圧容器に運ばれ、燃焼機関の少なくとも一つのシリンダーに噴射され、当該少なくとも一つのシリンダーへの燃料噴射量を直接又は間接的に制御するために制御弁が設けられる、燃焼機関用の特にディーゼルエンジン用の燃料の燃料品質を判定する方法を実施するための装置を提案する。制御弁タイミング信号の実際値を制御弁タイミング信号の基準値と比較するため、及び制御弁タイミング信号の実際値と基準値との差から燃料品質パラメータを得るために、制御ユニットを設ける。
更に又は或いは、高圧容器の圧力上昇勾配の基準値と比較して、高圧容器の圧力の蓄圧段階時の圧力上昇の勾配から燃料品質パラメータを得る。
本装置は、コモンレール噴射方式又は単体噴射方式のディーゼルエンジンに特に適しており、後者の方式では、制御弁は当該方式のスピル弁とすることが可能で、このスピル弁は高圧容器の圧力を制限するために使用される。
好ましい実施の形態において、制御弁タイミング信号及び/又はその作動継続時間を調整することで、圧力の閉ループ制御によって必要な噴射圧力を設定することができる。単体噴射方式ディーゼルエンジンの場合、各シリンダー制御に関係するニードル弁は、燃焼室への燃料噴射、噴射タイミング及び噴射継続時間を制御する。
或いは又は更に、圧力信号の実際値は、燃料タンクから単体噴射方式のポンプ室等の高圧容器まで燃料を運ぶ燃料ポンプのポンプ動作期間の実際値により、より緻密なものにできる。本方法の正確性及び堅牢性は、高圧容器の圧力信号の実際値を決定するための信号をより多く含むことで改善可能である。
燃料温度の実際値を測定するために、好都合にも温度センサーを設けることができるので、本方法の測定精度は改善できる。さらに、圧力センサーは、高圧容器の圧力及び/又は圧力勾配を測定するために設置できる。
本発明の他の態様により、燃料は燃料タンクから高圧容器に運ばれ、燃焼機関の少なくとも一つのシリンダーに噴射され、当該少なくとも一つのシリンダーへの燃料噴射量を直接又は間接的に制御するための制御弁が設けられる、燃焼機関用特にディーゼルエンジン用燃料の燃料品質を判定する方法を実施するための装置、を備える車両を提案する。本車両は、コモンレール噴射方式を装備してもよい。この場合、スピル弁タイミング信号の実際値は、制御弁タイミング信号の基準値と比較し、燃料品質パラメータは、制御弁タイミング信号の実際値と基準値との差から得られる。或いは、本車両は単体噴射方式も装備できる。この方式では、タイミング関連の基準値とスピル弁タイミングとの差及び/又は燃料室の畜圧段階時の圧力上昇勾配と圧力勾配関連の基準値との差が、燃料品質を得るために使用される。
本発明の他の態様により、プログラム可能なマイクロコンピュータを運用する場合、燃焼機関用燃料の燃料品質を判定するための方法を実施するようになっているか、又はその方法で使用するためのコンピュータプログラムコードを備えるコンピュータプログラムが提案される。ここで、前記方法は、燃料タンクから燃料を運ぶこと、及び当該燃料を燃焼機関の少なくなくとも一つのシリンダーに噴射することで構成され、少なくとも一つのシリンダーへの燃料噴射量を直接又は間接的に制御するために制御弁が設けられ、そして例えばコモンレール噴射方式の場合、制御弁タイミング信号の実際値は、制御弁タイミング信号の基準値と比較され、燃料品質パラメータは制御弁タイミング信号の実際値と基準値との差から得られる。更に又は或いは、高圧容器の畜圧段階時の圧力勾配の差は燃料品質を得るために使用できる。本コンピュータプログラムは、インターネットに接続されたコンピュータで運用する場合、制御ユニット又はその構成部品の内の一つにダウンロード可能であるようにすることができる。
本発明のさらに一つの態様により、コンピュータで、上記の方法で使用のプログラムコードを備える、コンピュータ読取り可能な媒体に格納のコンピュータプログラム製品が提案される。
本発明は、上記の内容、他の目的、及び利点とともに、以下の実施の形態の詳細説明から最も良く理解できるものであるが、これらの実施の形態に限定するものでない。以下に概略的に示す。
コモンレール噴射方式でのスピル弁として構成した制御弁のタイミング信号を決定するディーゼルエンジンのコモンレール装置に係る本発明による実施の形態の一例である。 図1によるシステムの石油系ディーゼル油より濃度及び粘度が低い燃料と石油系ディーゼル油のコモンレール噴射方式でのスピル弁タイミング信号の比較である。 図1によるシステムの石油系ディーゼル油より濃度及び粘度が高い燃料と石油系ディーゼル油とのコモンレール噴射方式でのスピル弁タイミング信号の比較である。 本発明に係るコモンレール噴射方式でのスピル弁タイミング信号の差に対するレール圧力上昇である。 ポンプエレメントの正弦曲線運動及び図1によるシステムのクランク角度位置の関数としてのリフト量である。 単体噴射方式でのニードル弁として構成した制御弁のタイミング信号を決定するためのディーゼルエンジンの装置に関する本発明による実施の形態の一例である。 図6によるシステムの石油系ディーゼル油より濃度及び粘度が高い燃料と石油系ディーゼル油との単体噴射方式の圧力信号の比較である。 ポンプエレメントの運動の特性曲線と、図7のシステムでのクランク角度位置の関数としてのリフト量である。
図面中、同一又は類似の構成要素は、同一の参照符号で表される。図面は、単に概略的に表示をしたものであり、本発明の特定のパラメータを表現するものではない。さらに、図面は本発明の典型的な実施の形態のみを表現するものであり、そのため本発明の範囲を限定するものとして解釈されるものではない。
図1に、コモンレール噴射方式20の実施の形態の概略例を示す。燃料をパイプ14及び16を介して低圧の燃料タンク12から高圧容器30に運ぶことで、燃料圧力(図2でp_rail)がポンプ22のプランジャー(ピストン)によって生じ、高圧容器30(「レール」とも呼ばれる)に入る。燃料は、燃料タンク12からポンプ22のポンプ室22aに運ばれ、その次に高圧容器30に運ばれる。制御弁24(スピル弁として構成)は、燃料タンク12とポンプ22の間のパイプ14に計測弁として配置される。パイプ16において、逆止弁26は、高圧容器30とポンプ22の間に配置される。圧力センサー36は、高圧側、例えば高圧容器30に配置される。燃料は、インジェクター40によりディーゼルエンジン10のシリンダー18(例として、エンジンのインジェクター40を一つ、シリンダー18を一つのみ示す)に噴射される。そしてニードル弁34は、高圧容器30とインジェクター40の間の接続パイプ32に配置される。インジェクター40、ニードル弁34及びポンプ22は、一体化して単体装置とすることもできるし、或いは代わりに別々の装置とすることも可能である。燃料タンク12には、一種類の燃料、例えば石油系ディーゼル油と合成油又はバイオディーゼル油との混合したものを入れることができる。代案(図面には表示なし)としては、分離した2個以上のタンクとすることができる。1つは石油系ディーゼル油用で、もう一つのタンク(又は複数のタンク)は、バイオディーゼル油及び/又は合成ディーゼル油用としてもよい。これらタンクの出口は、これらタンクの燃料を混合するため、又は所望の混合燃料を高圧容器に供給するために結合することができる。或いは、複数タンク方式(図面には表示なし)とすることも可能で、一度に、一つのタンクのみからの燃料が高圧容器に供給されるといった方法で、又は適正な種類の燃料を適正な時間で当該エンジンに供給するために、時間経過で変わりうるエンジンのニーズに応じて、個々の燃料タンクを連続して高圧容器に接続できるといった方法で、前記複数のタンクに異なる燃料を貯蔵し、弁制御は、様々なタンクの個々の出口を高圧容器に接続する弁装置を制御する。
燃料の温度は、燃料タンク12に配置される温度センサー38により検出可能である。
コモンレール噴射方式20の構成部品並びに好ましくはエンジン10は、制御ユニット60、例えば電子制御ユニットECUにより制御される。この制御ユニット60にはエンジン特性マップが格納されていて、これによって、例えばアクセルペダル等の制御エレメントにより、ドライバーの燃料需要等で要求された燃料をシリンダー18に噴射するようにインジェクター40が制御される。高圧容器30内の実際の圧力(図2のp_rail)は、入力パラメータとして入力され、制御ユニット60において解析される。ここでは、この圧力p_railは、エンジン10の回転速度に左右されうるので、回転速度が増えると、高圧容器30において圧力p_railが高まる。
レール内の燃料の実際の圧力p_rail以外に、制御ユニット60への他の入力パラメータは、例えば、燃料の温度、エンジン速度(特に、実際のクランク角度に関係する信号)及びエンジン運転状況(特に、実際のカムシャフト位置に関係する信号)である。
高圧容器30内の圧力p_railは、制御弁24の操作も制御する制御ユニット60を介して調整可能である。圧力p_railを上昇する必要がある場合は、ポンプ22は、高圧容器30に供給される燃料を測定する制御弁24を介して、燃料タンク12から高圧容器30に燃料を運ぶ。必要圧力に到達すると、余分な燃料は、制御弁24を介して、燃料タンク12に戻される。高圧容器30内の圧力p_railは、逆止弁26によって保たれ、圧力センサー36によって測定される。
所定のレール圧力p_rail及び(エンジン)シリンダー18への燃料噴射量のためには、ポンプ22のプランジャーポンプ動作のある一定のデューティサイクルが必要である。このプランジャーポンプ動作のデューティサイクルは、ポンプ動作期間(図2のT_22)で説明する。ポンプ動作期間T_22は、制御ユニット60(ECU)で使用される「デューティサイクル」と呼ばれるパラメータで示される。必要なレール圧力p_railを得るために、制御弁の作動のタイミング及び/又は継続時間を調整することによって、適正な圧力p_railの調整は、閉ループ制御によって、圧力センサー36による圧力の測定結果を用いて制御される。この制御は、燃料の物理的特性(特に粘度と濃度)のおける差を検出するために使用される。
これらの特性が変われば、ポンプ作業は、同質の石油系ディーゼル油と比べて減らすか又は増やす必要がある。すなわち、当該「デューティサイクル」を変更する必要がある。従って、制御弁タイミングは、単純な燃料センサーとして使用される。たとえば、石油系ディーゼル油より、粘度値及び濃度値が低い燃料を使用する場合、図2に例として示すように、ポンプ動作期間T_22を増やす必要がある。図2において、標準の石油系ディーゼル油と合成ディーゼル油を互いに比較する。図2で、実線のグラフは合成ディーゼル油を示し、破線のグラフは標準の石油系ディーゼル油を表す。一方、バイオディーゼル油(例えばRME等)は、標準の石油系ディーゼル油と比較して粘度と濃度が遥かに高く、そのためポンプ動作期間T_22が短くなる必要がある。このことは、図3に示している。RMEの混合の度合い高ければ高いほど、当該「デューティサイクル」、すなわちポンプ動作期間が短くなる。
図2は、石油系ディーゼル油と、石油系ディーゼル油より低い粘度及び濃度(例えば合成ディーゼル油がそうであろう)の燃料との制御弁タイミング信号の比較を、クランク角度の度数CADにおける、エンジンのクランク角度位置の関数として示している。360°CADのクランク角度位置は、上死点TDCに対応しており、エンジン10のピストンのクランクシャフトから最も離れた位置である。制御弁24(図1a)は、この例ではスピル弁である。
諸特性は一定のエンジントルクに対して示されている。図2の下部に示されているグラフからわかるように、合成ディーゼル油のスピル弁信号S_24は、石油系ディーゼル油のスピル弁信号S_refより早く動き出しており、それによりスピル弁タイミングに差ΔSが生じる。図2の上部に示されるグラフにはレール圧力p_railが示されており、高圧容器30(図1)の圧力上昇分ΔP並びにポンプ動作継続時間T_22の変化が示されている。
図3は、石油系ディーゼル油と、石油系ディーゼル油より高い粘度及び濃度(例えばバイオディーゼル油がそうであろう)の燃料との制御弁タイミング信号の比較を、当該エンジンのクランク角度位置の関数として示している。図3で、実線のグラグは前記バイオディーゼル油を示し、破線のグラフは標準の石油系ディーゼル油を示している。制御弁は、この例ではスピル弁である。図3の下部に示されるグラフから分かるように、バイオディーゼル油のスピル弁信号S_24は、石油系ディーゼル油のスピル弁信号S_refより早く動き出しており、それによりスピル弁タイミングに差ΔSが生じる。図3の上部に示すグラフには、レール圧力p_railを示しており、高圧容器30(図1)の圧力上昇分ΔP並びにポンプ動作期間T_22の変化が示されている。
両方の図面から、レール圧力p_railの上昇が小さい場合でも、スピル弁タイミングS_24の差ΔSは顕著であることが分かる。例えば、ここでの例では80バール当たり約2°のクランク角度である。スピル弁タイミングは、ポンプ22(図1)のポンプ作業の開始、すなわちスピル弁24が閉じる時期を制御する。スピル弁(制御弁24)は、作動していない時は、開いている。スピル弁(制御弁24)は、作動している時、すなわちポンプ動作中は閉じている。これは、高圧容器30内を高圧にできるように、スピル弁(制御弁24)を作動させることにより、高圧容器30は閉じることを意味する。
図4は、例として、石油系ディーゼル油とバイオディーゼル油とのスピル弁タイミング差ΔSに対する、レールすなわち高圧容器(図1の30)での圧力上昇分Δpを表している。この差は、石油系ディーゼル油の代わりにバイオディーゼル油を使用した場合は、スピル弁(図1の制御弁24)が後で(一層高いクランク角度位置で)閉じることを意味する。
図5では、(図右手の垂直座標のリフト[mm]として示す図のグラフにおいて)A_liftと称する、ポンプエレメントの正弦曲線運動、及び(図左手の垂直座標のリフト量[mm/°Cam]として示す図のグラフにおいて)ポンプエレメントのリフト量を示す正弦曲線の最も急勾配な右上がり斜線で、それぞれ最大値のあるCRと称する2つの頂点を、CAD(クランク角度の度数)で示したクランク角度位置POSの関数として示す。
図1のポンプ22のポンプエレメント、すなわちプランジャーは、例えばカムシャフトの湾曲状の輪郭によって機械的に作動される。このことは、図5のグラフA_liftに示されており、ここではカムシャフトの輪郭により生じるリフト距離が、カム角度位置CAD(°表示)の関数として(mmで)示される。ポンプエレメントの運動は、どの制御信号にも無関係である。プランジャーのリフト距離が増えると、すなわち約90°から270°まで及び約450°から630°までのカム角度位置の範囲でカムレート(図5のグラフCR)が右上がりであると、燃料圧力が上昇することができる、又は言い換えれば、ポンプ動作が起こることができる。ポンプ動作はエンジンサイクル当たり2回起こる。燃焼室への燃料噴射は、約350°から380°の範囲で起こり、約5°から25°のクランク角度位置の一般的な継続時間は、動力(トルク)要求によって決まる。カムシャフトの回転速度は、エンジン速度に比例している。カムシャフトはエンジン回転速度の半分で回転する。従って、図5はカムシャフトの1回転を表示している。
スピル弁(図1の制御弁24)が作動しない場合は、圧力上昇又は高圧容器30(レール又は貯蔵タンク)への燃料のポンプ供給は起こらない。ポンプ22(図1)のポンプエレメントは、低圧系すなわち図1の低圧燃料タンク12から燃料を引き込むだけとなる。その際、ポンプエレメントは上方に移動してから、燃料を低圧系すなわち図1の低圧燃料タンク12に戻す。低圧系の圧力は一般的には約5バールである。この文脈での「作動していない」は、スピル弁(図1の制御弁24)は開いていることを意味し、一方、「作動している」は制御弁24が閉じていることを意味する。
スピル弁(図1の制御弁24)を作動する、すなわち閉じるタイミングによって、ポンプ作業の開始が決まり、従ってポンプ動作の継続時間が決まる。最大ポンプ動作期間は、ポンプカムシャフトの輪郭により物理的に限定され、図5ではこの最大継続時間をサイクル当たり約180°(×2倍)とすることができる。そこで、制御弁タイミングによって、高圧タンク30のある圧力上昇を得るためにはどの程度のポンプ動作が必要であるかを決定する。
特にコモンレール噴射方式の場合、制御弁タイミング及び/又はポンプ動作期間は、以下のものの関数となる。
− 燃料の粘度。粘度が高くなると圧力上昇が早くなる、すなわちスピル弁のタイミングは、後の時点(図5のクランク角度位置スケール上でさらに右側に)で必要となり、スピル弁は後の時点で作動したり、作動しなかったりするからである。
− 燃料の濃度。濃度が高くなると圧力上昇が早くなる、すなわちスピル弁のタイミングは、後の時点(図5のクランク角度位置スケール上でさらに右側に)で必要となり、スピル弁は後の時点で作動したり、作動しなかったりするからである。
− 燃料の温度。温度が低くなると圧力上昇が早くなる、すなわち燃料温度が上昇するにつれて、粘度と濃度は高くなるので、スピル弁のタイミングは、後の時点(図5のクランク角度位置スケール上でさらに右側に)で必要となり、スピル弁は後の時点で作動したり、作動しなかったりするからである。
− エンジン回転速度(クランク信号から取得)。ポンプ動作は回転速度が増えると、さらに効率的になるからである。
− 所望の圧力上昇。所望の圧力上昇は、少なくとも以下の2つの条件に依存しうるからである。
− 第一に、多量の燃料が燃焼室に噴射される(エンジントルクが大きい)場合は、高圧容器(図1の30)の圧力下降がさらに大きくなり、そのため、この圧力下降を取り戻すために、ポンプ動作期間を長くすることが必要となる。
− 第二に、所望の圧力変化は、エンジンが運転状態を切り替えるということにも左右されうる。そして燃焼室への求められる(最適な)噴射圧力は、エンジン速度とトルクの関数である。
スピル弁(図1の制御弁24)タイミング信号の実際値(図2のS_24)を決定し、その値をスピル弁(図1の制御弁24)タイミング信号の基準値(図2のS_ref)と比較することで、本発明に関する方法を実施するように制御ユニット60(図1)が配置される。これらの基準値(図1の制御弁24)は、高圧容器すなわちレールの燃料供給系における使用燃料の実際の品質と比較するために、例えば石油系ディーゼル油等の周知の標準化された燃料の燃料特性から得られる。
制御ユニット60は、当該方法を実施できる、又はプログラムをマイクロコンピュータ上で運用する際に当該方法において使用されるコンピュータプログラムコードを含めたプログラム可能なマイクロコンピュータを含むことができる。特に、当該マイクロコンピュータがインターネットに接続されている時は、当該コンピュータプログラムは、制御ユニット60又はその構成部品の内の一つにダウンロード可能になっている。
コンピュータ読取り可能な媒体に格納したコンピュータプログラム製品は、任意で、マイクロコンピュータ上の当該方法において使用されるプログラムコードを含んでもよい。
エンジン10(図1)に噴射された燃料の特性は、排気温度、排気ガスの成分、及びエンジン10のトルクと出力に影響を与える。例えば、石油系ディーゼル油と比べて、合成ディーゼル油の濃度の方が低いのに対して、バイオディーゼル油の濃度は高い。一方、合成ディーゼル油の粘度はほんの少しだけ低く、合成ディーゼル油の粘度は遥かに高い。粘度と濃度でのこれらの差は、エンジンを適正に運転するのに必要な、インジェクター(図の40)の噴射圧力を決定する。合成ディーゼル油の発熱量(燃焼熱)は、石油系ディーゼル油のものより少し多い。一方、バイオディーゼル油は、石油系ディーゼル油より発熱量が遥かに少ない。石油系ディーゼル油のリットル当たりの燃料エネルギーは、合成ディーゼル油とバイオディーゼル油よりも多い。これら三種類の燃料のうち、バイオディーゼル油は、リットル当たりの燃料エネルギーが最少である。このことは、エンジン10(図1)のトルクと出力に関して重要なことである。燃料品質が分かっている場合は、エンジン制御は、エンジン10(図1)の運転に適応したものとすることが可能で、並びにそれに応じて前記エンジン10に関連の排気ガス処理システムの運転にも適応可能である。
図6は、各シリンダー18に対して個々のニードル弁34を設けた(図には一組のみ表示)単体燃料噴射方式120を有するディーゼルエンジン10の装置の実施の形態の一例を示す。
図6に示す実施の形態において、ポンプ22のポンプ室22aのプランジャー(ピストン)ポンプ22によって、低圧燃料タンク12からパイプ14を介してポンプ室22aまで、そしてパイプ16を介してニードル弁34まで燃料を運ぶことで、燃料圧力(図7のp_inj)が発生する。制御弁24(スピル弁として構成される)は、燃料タンク12とポンプ22の間のパイプ14に計測弁として配置される。圧力センサー36は、ポンプ室22a内の圧力を測定するためにポンプ22に配置される。ニードル弁34が開いている時は、燃料はインジェクター40からエンジン10のシリンダー18に噴射される(例としてエンジン10のインジェクター40を1個、ニードル弁34を1個及びシリンダー18を1個のみ示す)。ニードル弁34はポンプ22とインジェクター40の間に配置される。インジェクター40、ニードル弁34及びポンプ22は、一体化して単体装置とすることもできるし、代案として別々の装置とすることも可能である。
燃料タンク12には、一種類の燃料、例えば石油系ディーゼル油と合成油又はバイオディーゼル油との混合したものを入れることができる。代案(図面には表示なし)としては、分離した2個以上のタンク、1つは石油系ディーゼル油用で、もう一つのタンク(又は複数タンク)はバイオディーゼル油及び/又は合成ディーゼル油用とすることもできる。これらタンクの出口は、これらタンクの燃料を混合するため、又は所望の混合燃料を高圧容器に供給するために結合することができる。或いは、複数タンク方式(図面には表示なし)とすることも可能で、一度に一つのタンクのみからの燃料が高圧容器に供給されるといった方法で、又、適正な種類の燃料を適正な時間で当該エンジンに供給するために、時間経過で変わりうるエンジンのニーズに応じて、個々の燃料タンクを連続して高圧容器に接続できるといった方法で、前述の複数のタンクに異なる燃料を貯蔵し、弁制御は、様々なタンクの個々の出口を高圧容器(すなわち、ポンプ室22a)に接続する弁装置を制御する。
燃料の温度は、燃料タンク12に配置される温度センサー38で検出可能である。
単体噴射方式120の構成部品並びに好ましくはエンジン10は、制御ユニット60、例えば電子制御ユニットECUによって制御される。この制御ユニット60にはエンジン特性マップが格納されており、このマップによって、例えば、アクセルペダル等の制御エレメントによる、ドライバーの燃料需要等で要求された燃料をシリンダー18に噴射するようにインジェクター40が制御される。高圧容器すなわち本実施の形態のポンプ室22a内の実際の圧力(図7のp_inj)は、入力パラメータとして入力され、制御ユニット60で解析される。ここでは、この圧力p_injは、エンジン10の回転速度に左右されうるので、回転速度が上がると、ポンプ22のポンプ室22aで圧力p_injが高まる。
単体噴射方式の場合、全ての運転エンジンサイクルの開始時点で、燃料圧力は、低圧係路レベル(例えば約5バール)にあるので、圧力p_injは常に上昇させる必要がある。運転サイクルは以下の通りである。燃料ポンプ22のプランジャーが上方に移動すると、ポンプ室22aは、燃料で満たされことになる。ポンプ室22aが十分に満たされる場合は、常に同じ量の燃料で満たされる。プランジャーが下方に移動し始めると、スピル弁24が作動するまで、燃料が吐き出され低圧系路に入る。この動作の結果、ポンプ室22a内の圧力p_injの蓄圧段階が始まる、すなわち圧力が上昇する。ポンプ室22aは、燃焼機関10のニードル弁34と流体接続されている。ニードル弁34が開くと、燃料がエンジン10の各シリンダー18に噴射される。EOI(End Of Injection:噴射の終了)後にポンプ室22aに残った燃料は、その後に低圧系路に戻っていく。
ポンプ室22a内の燃料の実際の圧力p_inj以外に、制御ユニット60への他の入力パラメータは、例えば、燃料の温度、エンジン速度(特に、実際のクランク角度に関係する信号)及びエンジン運転状況(特に実際のカムシャフト位置に関係する信号)である。
ポンプ室22a内の圧力p_injは、スピル弁24及びニードル弁34の作動も制御する制御ユニット60を介して調整可能である。圧力p_injを上昇させる必要がある場合は、ポンプ22は、エンジンに10に供給する燃料を測定するスピル弁24を介して、燃料タンク12からニードル弁34に燃料を運ぶ。必要な圧力に達すると、余分な燃料は、スピル弁24を介して燃料タンク12に戻る。
所定の噴射圧力p_inj及び(エンジン)シリンダー18への噴射燃料の量のためには、ポンプ22のプランジャーポンプ動作のある一定のデューティサイクルが必要である。このプランジャーポンプ動作のデューティサイクルは、ポンプ動作期間で説明する。ポンプ動作期間は、制御ユニット60(ECU)で使用される「デューティサイクル」と呼ばれるパラメータで示される。必要な圧力を得るために、制御弁の作動のタイミング及び/又は継続時間を調整することにより、適正な圧力p_injの調整は、閉ループ制御によって、圧力センサー36での圧力測定の結果を用いて、制御される。この制御は、燃料の物理的特性(特に粘度と濃度)における差を検出するために使用される。
これらの特性が変われば、ポンプ作業は、同質の石油系ディーゼル油と比べて減らす必要がある。すなわち、当該「デューティサイクル」を変更する必要がある。従って、制御弁タイミングは、単純な燃料センサーとして使用される。例えば、石油系ディーゼル油より、粘度値及び濃度値が高い燃料を使用する場合、図7に例として示すように、ポンプ動作期間を増やす必要がある。
図7で、実線のグラフはバイオディーゼル油を示し、破線のグラフは標準の石油系ディーゼル油を示す。バイオディーゼル油(例えばRME等)は、標準の石油系ディーゼル油と比較して粘度と濃度が遥かに高く、そのため、ポンプ動作期間は、より短い必要がある。RMEの混合の程度が高ければ、高いほど、当該「デューティサイクル」、すなわちポンプ動作期間は短くなる。
図7は、石油系ディーゼル油と、石油系ディーゼル油より粘度及び濃度が高い燃料との噴射圧力p_injの比較を示す。一方、図8は、ポンプエレメントの動作とリフト量CRをクランク角度位置POSの関数として示している。図8において、ポンプエレメントの動作は、(図のリフト距離[mm]で示すグラフで)A_liftと称し、中間部が略直線の勾配になっている約300°と420°のPOSの間でポンプエレメントのリフト距離の増加を示す。そしてカムレートは、A_liftの直線状の勾配に対応する約340°と390°のPOSの間で幅広の最大量のピークがあるグラフCRで示され、(図8の左手縦座標を参照、図のmm/°Cam表示のグラフで)ポンプエレメントのリフト量を、CAD(クランク角度の度数)表示のクランク角度位置POSの関数として示されている。
単体燃料噴射方式では、ポンプ作業は、燃料が燃焼室18に噴射される前に開始される。噴射が開始される時点は、SOI(Start Of Injection:噴射の開始)とも呼ばれる。図7を参照。ポンプ動作は、噴射期間が終了すると同時に終了する。噴射が終了する時点はEOIとも呼ばれる。噴射開始前の蓄圧段階の期間は、NOP(ニードル開放圧力、すなわちSOIでの圧力)角度と定義される。畜圧段階時(NOP角度)の圧力上昇は、相対的に直線状である。蓄圧段階での圧力上昇勾配は、カムリフト量(図8のA_lift)、エンジン速度、プランジャー直径及び燃料特性の関数である。同じ噴射圧力p_injに対し、バイオディーゼル油がより急勾配である。石油系ディーゼル油のポンプ動作とバイオディーゼル油のポンプ動作との蓄圧段階での圧力勾配の差は、実際の燃料の品質に対する尺度である。
比較のため、制御弁24(図6)のタイミング信号S_ref及びS_24は、図7において、それぞれ石油系ディーゼル油及びバイオディーゼル油用を示している。
噴射期間(噴射の継続時間)中の噴射圧力p_injの挙動は、蓄圧段階での圧力勾配と同じパラメータのみでなく、ノズル流の数にも左右され、これはインジェクター40のノズル穴の寸法と数の結果である。EOIで、(ニードル弁34の)ニードル制御とスピル弁24は作動しなくなり、そして(ポンプ22での)ポンプ室22aに残留の燃料は、押し出されて低圧系路に、すなわち低圧燃料タンク12に入る。
装置が起動すると、制御ユニット60(図6)にマッピングされたパラメータに従って噴射圧力p_injが設定される。蓄圧段階の圧力勾配は、燃料の品質に左右されるので、数サイクル後に蓄圧段階特性の圧力勾配は、システムで実際に使用する燃料の種類に従って設定される。燃料品質は、圧力センサー36(図6)で監視した圧力値から取り出すことが可能である。
本システムの燃料品質の検出は、蓄圧段階中の、及び/又は任意のNOPに対するスピル弁タイミングによって、圧力p_injの上昇勾配から可能である。
本発明による方法は、有利なことに、バイオディーゼル油と標準のディーゼル油のどのような混合物でも特定することが可能であり、そのためエンジンと車両の安全運転が可能となる。

Claims (21)

  1. 燃焼機関(10)用の燃料が低圧燃料タンク(12)から高圧容器(22a、30)に運ばれ、燃焼機関(10)の少なくとも一つのシリンダー(18)に噴射され、前記少なくとも一つのシリンダー(18)への燃料噴射量を直接又は間接的に制御するために制御弁(24)が設けられ、
    前記制御弁(24)のタイミング信号の実際値(S_24)は、前記制御弁(24)タイミング信号の基準値(S_ref)と比較され、
    前記制御弁(24)タイミング信号の前記実際値(S_24)と前記基準値(S_ref)との差(ΔS)から燃料品質パラメータを得る、
    前記燃料の燃料品質を判定する方法であって、
    前記制御弁(24)タイミング信号は、前記燃料を前記燃料タンク(12)から前記燃焼機関(10)に運ぶ燃料ポンプ(22)のポンプ動作期間の実際値でさらに調整されること、
    を特徴とする方法。
  2. 前記高圧容器(22a)の圧力上昇勾配の基準値(p_ref)と比較して、前記高圧容器(22a)の燃料圧力(p_inj)の蓄圧段階時の圧力上昇の勾配から燃料品質パラメータを得ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記燃料は、最初の圧力の前記低圧燃料タンク(12)から、前記最初の圧力より高い圧力の前記高圧容器(22a、30)に運ばれ、前記高圧容器(22a,30)の前記燃料圧力(p_inj)を制限するために前記制御弁(24)が設けられる前記燃焼機関(10)の少なくとも一つのシリンダー(18)に噴射されることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 前記制御弁(24)タイミング信号の前記実際値(S_24)及び/又はその作動継続時間を調整することで、前記高圧容器(22a、30)の必要な前記燃料圧力(p_inj)の閉ループ制御により前記高圧容器(22a、30)の必要な前記燃料圧力(p_inj)が設定されることを特徴とする請求項2又は3に記載の方法。
  5. 単体噴射方式において、噴射弁(40)のニードル開放圧力(NOP)を調整すること、又は、
    前記制御弁(24)タイミング信号の前記実際値(S_24)又はその作動継続時間を調整することで、
    閉ループ制御によって、前記高圧容器(22a)の必要な前記燃料圧力(p_inj)が設定されることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記高圧容器(22a、30)の前記燃料圧力(p_inj)の前記実際値は、一定のエンジントルクで測定されることを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記高圧容器(22a、30)の前記燃料圧力(p_inj)は、前記燃料の実温度でさらに調整されることを特徴とする請求項2乃至6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記制御弁(24)タイミング信号は、前記燃料の実温度でさらに調整されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
  9. 前記高圧容器(22a、30)の前記燃料圧力(p_inj)の基準値(p_ref)は、基準燃料の特性曲線一式から得ること、
    を特徴とする、請求項2乃至8のいずれかに記載の方法。
  10. 前記制御弁(24)タイミング信号の前記基準値(S_ref)は、基準燃料の特性曲線一式から得ることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。
  11. 燃焼機関(10)用の燃料が低圧燃料タンク(12)から高圧容器(22a、30)に運ばれて、
    前記燃焼機関(10)の少なくとも一つのシリンダー(18)に噴射され、
    制御弁(24)は、少なくとも前記一つのシリンダー(18)への燃料噴射量を直接又は間接的に制御するために設けられる、
    前記燃料の燃料品質を判定する請求項1乃至10のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、
    制御弁(24)のタイミング信号の実際値(S_24)は、前記制御弁(24)タイミング信号の基準値(S_ref)と比較され、
    前記制御弁(24)タイミング信号の前記実際値(S_24)と前記基準値(S_ref)との差(ΔS)から燃料品質パラメータを得るために、及び
    前記燃料を前記燃料タンク(12)から前記内燃機関(10)まで運ぶ燃料ポンプ(22)のポンプ動作期間の実際値で、前記制御弁(24)タイミング信号をさらに調整するために、
    制御ユニット(60)が設けられることを特徴とする装置。
  12. 前記高圧容器(22a)の圧力上昇勾配の基準値(p_ref)と比較して、前記高圧容器(22a)の前記燃料圧力(p_inj)の蓄圧段階時の圧力上昇の勾配から、燃料品質パラメータを得ることを特徴とする請求項11に記載の装置。
  13. 前記制御弁(24)は、コモンレール噴射方式の前記高圧容器(22a、30)の燃料圧力(p_inj)を制限するためのスピル弁(24)であることを特徴とする請求項11又は12に記載の装置。
  14. 温度センサー(38)が、前記燃料の実温度を測定するために設けられることを特徴とする請求項11乃至13のいずれかに記載の装置。
  15. 前記高圧容器(22a、30)の前記燃料圧力(p_inj)の実際値及び/又は、前記高圧容器(22a、30)の前記燃料圧力(p_inj)に関わる圧力勾配を測定するため、圧力センサー(36)が設けられることを特徴とする請求項13に記載の装置。
  16. 前記高圧容器(30)は、コモンレール噴射方式のレールであることを特徴とする請求項11乃至15のいずれかに記載の装置。
  17. 前記高圧容器(22a)は、単体噴射方式の燃料ポンプ(22)のポンプ室であることを特徴とする請求項11乃至15のいずれかに記載の装置。
  18. 請求項11乃至17のいずれかに記載の装置を備える車両。
  19. コンピュータプログラムがプログラム可能なマイクロコンピュータで実行される場合、請求項1乃至10のいずれかに記載の方法を実行するようにしたコンピュータプログラムコードを備えるコンピュータプログラム。
  20. 制御ユニット(60)のプログラム可能なマイクロコンピュータがインターネットに接続される場合、制御ユニット(60)又はその構成部品の内の一つにダウンロード可能であるようにした請求項19に記載のコンピュータプログラム。
  21. 請求項1乃至10のいずれかに記載の方法をコンピュータで実行するようにしたプログラムコードを備える、コンピュータ読取り可能な媒体に格納したコンピュータプログラム製品。
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