JP2014218951A - エンジンの燃料性状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃料性状検出装置に関し、簡素な構成で燃料密度を効果的に検出する。【解決手段】コモンレール１２に畜圧された高圧燃料をインジェクタ２０から気筒内に直接噴射するエンジンの燃料性状検出装置であって、コモンレール１２の圧力を検出するコモンレール圧センサ３０と、コモンレール圧センサ３０のセンサ値に基づいて、燃料噴射によるコモンレール１２の圧力脈動周期、圧力降下、及び、コモンレール１２からの燃料減少量を演算すると共に、これら演算値と、コモンレール１２の体積弾性係数、管壁厚、反射端長、容積、内径との関係を示す所定の物理式から燃料密度を演算する燃料密度演算部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃料性状検出装置に関する。

従来、コモンレールに畜圧した高圧燃料をインジェクタからエンジンの各気筒内に直接噴射するコモンレール式の燃料噴射装置が知られている。一般的に、コモンレール式の燃料噴射装置では、気筒内に噴射した高圧燃料を完全燃焼させることで、エンジンの高出力化を図ると共に、排気ガス中の粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を低減させている。

ディーゼルエンジン等では、供給される燃料の密度が低下すると、燃料の着火遅れや、エンジントルクの低下を招くおそれがある。そのため、燃料密度等の燃料性状を考慮して、燃料噴射量や噴射タイミングを適切に制御することが重要である（例えば、特許文献１参照）。

特開平２−６４２５０号公報

ところで、従来技術のように、燃料性状に関する情報を入力する装置を備える構成や、燃料密度を直接的に検出するセンサ類を設ける装置では、これら追加する装置・センサ等によってコストの上昇を招く可能性がある。そのため、コモンレール式の燃料噴射装置に設けられている既存のセンサを用いて、燃料性状を効果的に検出することが望まれる。

本発明の目的は、簡素な構成で燃料密度を効果的に検出することができるエンジンの燃料性状検出装置を提供することにある。

上述の課題を解決するため、本発明のエンジンの燃料性状検出装置は、コモンレールに畜圧された高圧燃料をインジェクタから気筒内に直接噴射するエンジンの燃料性状検出装置であって、前記コモンレールの圧力を検出するコモンレール圧センサと、前記コモンレール圧センサのセンサ値に基づいて、燃料噴射によるコモンレールの圧力脈動周期、圧力降下、及び、コモンレールからの燃料減少量を演算すると共に、これら演算値と、コモンレールの体積弾性係数、管壁厚、反射端長、容積、内径との関係を示す所定の物理式から燃料密度を演算する燃料密度演算部と、を備えることを特徴とする。

また、前記燃料密度演算部は、燃料密度を多段噴射の各噴射毎に演算すると共に、演算した各燃料密度の平均値を最終的な燃料密度としてもよい。

また、燃料密度演算部で演算された燃料密度に基づいて、前記エンジンの燃料噴射量を制御する噴射制御部をさらに備えてもよい。

本発明のエンジンの燃料性状検出装置によれば、簡素な構成で燃料密度を効果的に検出することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの燃料性状検出装置を示す模式的な全体構成図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンの燃料性状検出装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態の燃料性状検出装置が適用されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０は、複数の気筒＃１〜＃４を有する直列４気筒エンジンであって、コモンレール式の燃料噴射装置１１を備えている。なお、エンジン１０は４気筒以外の多気筒エンジン、もしくは、単気筒エンジンであってもよい。

コモンレール１２は、図示しない燃料タンクからサプライポンプ１３を介して供給される高圧燃料を畜圧すると共に、畜圧した高圧燃料を各インジェクタ２０に分配する。このコモンレール１２には、燃料の噴射圧力に相当するコモンレール圧を検出可能なコモンレール圧センサ３０が設けられている。コモンレール圧センサ３０で検出されるコモンレール圧は、電気的に接続された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０に出力される。

インジェクタ２０は、エンジン１０の各気筒にそれぞれ対応して設けられており、コモンレール１２から供給される高圧燃料を各気筒の燃焼室内に直接噴射する。インジェクタ２０の燃料噴射量や噴射時期は、ＥＣＵ４０から電磁ソレノイド（不図示）に入力される噴射指示信号の通電パルス幅（時間幅）に応じて芯弁がリフトされ、ノズル先端の噴射孔を開閉することでコントロールされる。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には、コモンレール圧センサ３０、エンジン回転センサ３１、アクセル開度センサ３２等の出力信号が入力される。

また、ＥＣＵ４０は、燃料密度演算部４１と、燃料噴射制御部４２とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

燃料密度演算部４１は、燃料性状としての燃料密度ρを演算する。以下、燃料密度ρの演算方法の詳細を説明する。

インジェクタ２０から各気筒＃１〜＃４に噴射される燃料噴射量ΔＱ_INJは、以下の数式（１）で表される。

数式（１）において、ΔＱ［ｍ³］は高圧部（コモンレール１２）からの燃料減少量、ΔＱ_DL［ｍ³］はインジェクタ２０からの燃料の動的リーク量、ΔＱ_SL［ｍ³］はインジェクタ２０からの燃料の静的リーク量を示している。動的リーク量ΔＱ_DLは、予め実験等により作成してＥＣＵ４０のメモリに記憶したコモンレール圧Ｐと、噴射指示信号の通電パルス幅と、動的リーク量との関係を示すマップ（不図示）から求めることができる。また、静的リーク量ΔＱ_SLは、予め実験等により作成してＥＣＵ４０のメモリに記憶したコモンレール圧Ｐと、静的リーク量との関係を示すマップ（不図示）から求めることができる。

次に、高圧部からの燃料減少量ΔＱは、以下の数式（２）で表される。

数式（２）において、ΔＰ［Ｐａ］はコモンレール圧の圧力降下、Ｖ［ｍ³］は高圧部体積すなわちコモンレール１２の容積、Ｋ［Ｐａ］は燃料の体積弾性係数を示している。圧力降下ΔＰは、コモンレール圧センサ３０のセンサ値に基づいて算出することができる。また、コモンレール１２の容積Ｖは定数である。体積弾性係数Ｋは、以下の数式（３）で表される。

数式（３）において、ａ［ｍ／ｓ］は圧力伝播速度、ρ［ｋｇ／ｍ³］は燃料密度、Ｄ［ｍ］はコモンレール１２の円管内径、ｂ［ｍ］はコモンレール１２の管壁厚さ、Ｅ［Ｐａ］はコモンレール１２の体積弾性係数を示している。ここで、コモンレール１２の円管内径Ｄ、管壁厚ｂ、体積弾性係数Ｅは、定数である。また、圧力伝播速度ａは、以下の数式（４）で表される。

数式（４）において、ｆ_n［Ｈｚ］はコモンレール圧の脈動周期、ｌ_n［ｍ］は反射端長を示している。反射端長ｌ_nは、コモンレール１２からインジェクタ２０の芯弁までの長さ（図１の符号ｌ_n参照）であって定数である。また、脈動周期ｆ_nは、コモンレール圧センサ３０のセンサ値を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して得ることができる。

数式（４）から得られた圧力伝播速度ａを数式（３）に代入し、さらに数式（３）を数式（２）に代入すると、燃料減少量ΔＱと圧力降下ΔＰとの関係は、最終的に以下の数式（５）で表される。

燃料密度演算部４１は、この数式（５）に、上述した定数であるコモンレール１２の体積弾性係数Ｅ、管壁厚ｂ、反射端長ｌ_n、コモンレール１２の容積Ｖ、コモンレール１２の円管内径Ｄ、さらに、コモンレール圧センサ３０で計測可能なパラメータとしての脈動周期ｆ_n，コモンレール圧の圧力降下ΔＰ，燃料減少量ΔＱを代入することで、燃料密度ρを演算する。

なお、燃料噴射を多段噴射で行う場合は、燃料密度ρの演算をパイロット噴射、メイン噴射、アフター噴射等の各噴射で実行し、これら各噴射で演算された複数の燃料密度ρの平均値を最終的な燃料密度ρとしてもよい。

また、燃料噴射量にバラツキが生じる場合等は、指示燃料噴射量であるΔＱを予め補正するように構成してもよい。燃料噴射量を補正する手段としては、例えば、筒内圧センサ（不図示）により各気筒の燃焼圧力を検出し、気筒毎の図示平均有効圧力（ＩＭＰＥ）を算出して補正してもよい。また、エンジン回転速度の変化から各筒毎のトルク変動を算出して、気筒毎に燃料噴射量を補正してもよい。また、シリンダブロック等に振動加速度センサ（不図示）を設けて各気筒の燃焼エネルギーを算出し、気筒毎に燃料噴射量を補正してもよい。さらに、排気管に設けたラムダセンサ（不図示）により計測される排気ラムダから、全気筒の平均噴射量を算出して補正してもよい。

燃料噴射制御部４２は、燃料密度演算部４１で演算される燃料密度ρに基づいて、エンジン１０の燃料噴射を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ４０のメモリには、予め作成したエンジン回転数とアクセル開度と目標トルクとの関係を示す目標トルク設定マップ（不図示）及び、燃料密度ρと噴射量とエンジントルクとの関係を示す目標噴射量設定マップ（不図示）が記憶されている。

燃料噴射制御部４２は、エンジン回転センサ３１及び、アクセル開度センサ３２のセンサ値に基づいて、目標トルク設定マップからエンジン１０の目標トルクを設定すると共に、燃料密度演算部４１で演算される燃料密度ρ及び、設定した目標トルクに基づいて、目標噴射量設定マップから目標噴射量を設定する。そして、設定した目標噴射量に対応する通電パルス幅の噴射指示信号をインジェクタ２０の電磁ソレノイドに出力することで、エンジン１０の燃料噴射を制御するように構成されている。これにより、燃料密度ρの違い（変化）に応じた適切な噴射制御パラメータを設定することができる。

次に、本実施形態に係るエンジンの燃料性状検出装置による作用効果を説明する。

本実施形態において、各気筒に噴射される燃料の密度ρは、予め規定した上述の数式（５）に、定数であるコモンレール１２の体積弾性係数Ｅ、管壁厚ｂ、反射端長ｌ_n、コモンレール１２の容積Ｖ、コモンレール１２の円管内径Ｄ、及び、コモンレール圧センサ３０で計測可能な脈動周期ｆ_n、圧力降下ΔＰ、燃料減少量ΔＱを代入することで演算される。

すなわち、本実施形態では、燃料密度ρを直接的に検出するセンサ類や、燃料性状の情報を入力する装置等を備えることなく、既存のコモンレール圧センサ３０のセンサ値を用いて燃料密度ρを演算することが可能に構成されている。したがって、本実施形態によれば、装置全体のコスト上昇を招くことなく、簡素な構成で、燃料密度ρを効果的に検出することができる。

また、本実施形態では、エンジン１０が設定された目標トルクを出力するように、インジェクタ２０に入力する噴射指示信号の通電パルス幅は演算した燃料密度ρに基づいて制御される。すなわち、燃料密度ρの違い（変化）に応じて、適切な燃料の噴射制御パラメータを設定するように構成されている。

したがって、本実施形態によれば、エンジン１０の燃料噴射量が燃料密度ρの変化に応じて制御され、燃料の着火遅れや、燃料の不完全燃焼を効果的に抑制することができる。その結果、エンジントルクの低下や、燃費の悪化、排ガス性能の低下を効果的に防止することが可能になる。特に、エンジントルクを電動モータでアシストするハイブリッド車両等に適用した場合は、燃料密度ρの変化に関係なくエンジントルクが安定するため、モータによるアシストを高精度に制御することが可能になる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、本実施形態のエンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリン、ＢＴＬ(Biomass To Liquid)燃料、ＧＴＬ（Gas To Liquid）燃料、重油等、他の燃料を使用するエンジンにも広く適用することが可能である。また、演算した燃料密度ρに基づいて、燃料噴射量の制御を行うだけでなく、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）の目標ＥＧＲ率を制御するように構成してもよい。これにより、エンジン１０の排ガス性能をさらに向上することが可能になる。

１０ エンジン
１２ コモンレール
２０ インジェクタ
３０ コモンレール圧センサ
３１ エンジン回転センサ
３２ アクセル開度センサ
４０ ＥＣＵ
４１ 燃料密度演算部
４２ 燃料噴射制御部

Claims (3)

1. コモンレールに畜圧された高圧燃料をインジェクタから気筒内に直接噴射するエンジンの燃料性状検出装置であって、
   前記コモンレールの圧力を検出するコモンレール圧センサと、
   前記コモンレール圧センサのセンサ値に基づいて、燃料噴射によるコモンレールの圧力脈動周期、圧力降下、及び、コモンレールからの燃料減少量を演算すると共に、これら演算値と、コモンレールの体積弾性係数、管壁厚、反射端長、容積、内径との関係を示す所定の物理式から燃料密度を演算する燃料密度演算部と、を備える
   ことを特徴とするエンジンの燃料性状検出装置。
2. 前記燃料密度演算部は、燃料密度を多段噴射の各噴射毎に演算すると共に、演算した各燃料密度の平均値を最終的な燃料密度とする
   請求項１に記載のエンジンの燃料性状検出装置。
3. 燃料密度演算部で演算された燃料密度に基づいて、前記エンジンの燃料噴射量を制御する噴射制御部をさらに備える
   請求項１又は２に記載のエンジンの燃料性状検出装置。

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