JP2019521281A - 自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体が管路システムを通って噴射要素に搬送される、自動車の噴射システムを用いて実施される噴射過程における噴射された流体量を求める方法に関しており、第１の圧力センサの出力信号を使用して、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点を求めるステップと、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点と、噴射過程の開始時点との間の時間差分を形成するステップと、形成された時間差分を使用して、管路システム内の流体の伝播速度を求めるステップと、伝播速度を使用して、管路システムの剛性を求めるステップと、求められた管路システムの剛性を使用して、噴射された流体量を求めるステップと、を含んでいる。

Description

本発明は、自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める方法および装置に関する。

自動車における目標燃料噴射量を求めるための重要なパラメータは、要求トルクである。この要求トルクは運転者の意志に依存し、その出力信号が、アクセルペダルの現在位置に関する情報を含むセンサによって求められる。目標燃料噴射量を求めるための別の重要なパラメータは、例えば現在の回転数、現在の走行速度、現在のエンジン負荷および現在のエンジン温度である。目標燃料噴射量を求めることは、制御ユニットによって行われ、この制御ユニットには、上記したパラメータに関する情報およびさらなるパラメータに関する情報が供給される。

自動車の運転中は、どの程度の燃料量が噴射過程の枠内で実際に噴射されたかに関する情報を得ることが重要である。

いわゆるＳＣＲ触媒システムおよびＭＰＩ噴射システム（マルチポイントインジェクションシステム）においても、どの程度の流体量が噴射過程の枠内で実際に噴射されたかに関する情報を得ることは重要である。

本発明の課題は、自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める改良された方法および改良された装置を提示することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法によって解決される。本発明の好ましい実施形態および発展形態は従属請求項に提示されている。請求項１１は、自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める装置を対象とする。

流体が管路システムを通って噴射要素に搬送される、自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める本発明による方法では、第１の圧力センサの出力信号を使用して、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点を求めるステップと、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点と、噴射過程の開始時点との間の時間差分を形成するステップと、形成された時間差分を使用して、管路システム内の流体の伝播速度を求めるステップと、伝播速度を使用して、管路システムの剛性を求めるステップと、求められた管路システムの剛性を使用して、噴射された流体量を求めるステップと、が行われる。

この方法により、運転中に例えば温度変化またはシステム内の空気含有量の変化によって変動する管路システムの全剛性が、噴射された流体量を求める際に考慮されることが好ましいやり方で達成される。これにより、制御ユニットは、噴射システムの動作中に、目標噴射量に関する新たな値を継続的に求める際に、管路システムの現在の全剛性を考慮することができる。このことは、自動車の現在の運転条件、例えば現在の運転者の意志への流体の目標噴射量の、オンボード診断に基づく改善された適合化につながる。

本発明のさらなる好ましい特徴は、それらの図面に基づく以下の例示的な説明から明らかになる。

自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める装置のブロック回路図 図１に示した管路の管路始端領域における噴射過程開始後の圧力経過を示す線図 図１に示した管路の管路終端領域における噴射過程開始後の圧力経過を示す線図 本発明による方法および流体の空気の割合に依存したシミュレーションに基づく方法における、可撓性管路の存在下およびスチール製管路の存在下で求められた噴射燃料量を示す線図 可撓性管路の存在下およびスチール製管路の存在下での流体中の空気の割合に依存した剛性を示す線図

図１は、自動車の噴射システムにおける噴射された流体量を求める装置のブロック回路図を示す。この噴射システムは、例えばＳＣＲ触媒噴射システムである。このＳＣＲ触媒噴射システムでは、流体源として用いられる圧送ポンプから、尿素溶液が管路システムを介して流体シンクとして用いられる噴射弁に供給され、この噴射弁によって、尿素溶液が運転中に自動車の排気系統に噴射される。

図示されている装置は、管路システムとして管路１を有しており、この管路により、圧送ポンプ２から提供された尿素溶液は噴射弁３に案内される。圧送ポンプ２は、制御ユニット４により、制御信号ｓ１を用いて駆動制御され、噴射弁３は制御信号ｓ２を用いて駆動制御される。

管路１の管路終端の領域には圧力センサＳ１が設けられている。この圧力センサＳ１は、管路終端の領域内の圧力を測定するために設けられ、関連するセンサ信号ｐ１を制御ユニット４に供給している。管路始端の領域にはさらなる圧力センサＳ２が設けられており、このさらなる圧力センサＳ２は、管路始端の領域内の圧力を測定するために設けられ、関連するセンサ信号ｐ２を制御ユニット４に供給している。

制御ユニット４は、メモリに記憶された作業プログラムと、管路始端および管路終端における圧力に関する上述した情報と、自動車のさらなるパラメータに関する情報と、記憶された特性マップデータとを使用して、流体源２に対する上述した制御信号ｓ１ならびに流体シンク３に対する上述した制御信号ｓ２を提供し、さらに噴射過程の枠内で噴射された流体量Ｖ_ｉｎｊを求めるように構成されている。

噴射過程の枠内で噴射された流体量を求めることは、制御ユニット４を用いて以下のように実行される。

第１のステップＳＴ１では、圧力センサＳ１によって求められた圧力信号ｐ１を使用して、噴射過程の開始時点ｔ１が検出される。それに対して代替的に、この時点ｔ１は、全噴射過程を制御するように構成されている制御ユニット４から提供することも可能である。

その後、第２のステップＳＴ２では、圧力センサＳ２によって求められた圧力信号ｐ２を使用して、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点を求めることが行われる。この目的のために、制御ユニット４は、時間的に順次連続する圧力信号ｐ２から差分信号を形成し、これらの差分信号の最大値と、この最大差分信号の発生時点ｔ２とを求める。この発生時点ｔ２は、管路１の入口領域における最大圧力勾配に対応する。

その後、ステップＳＴ３では、時間差分Δｔを求めることが以下の関係式：
Δｔ＝ｔ２−ｔ１
に従って行われる。

この時間差分は、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点ｔ２と、噴射過程の開始時点ｔ１との間の時間差分である。

後続するステップＳＴ４では、時間差分Δｔを使用して管路システム内の流体の伝播速度ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ}を求めることが以下の関係式：
ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝ｌ／Δｔ
に従って行われる。ただし、ｌは管路１の長さである。

その後、（必要に応じて）ステップＳＴ５では、固有周波数ｆ_{Ｓｙｓｔｅｍ}を求めることが以下の関係式：
ｆ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ}／２・ｌ
に従って行われる。

後続するステップＳＴ６では、管路システムの剛性が以下の関係式：
Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ} ^２・Ｑ
によって求められる。ただし、Ｑは流体の密度である。この流体の密度はメモリから取り出される。このメモリ内には、複数の伝播速度に対してそれぞれ１つの関連する密度値が記憶されている。

その後、ステップＳＴ７では、噴射過程によって引き起こされた圧力低下Δｐが以下の関係式：
Δｐ＝ｐ１−ｐ３
によって求められる。ただし、ｐ３は、圧力センサＳ２を用いて求められた管路始端の領域における圧力であり、噴射過程によって引き起こされた圧力振動の減衰後に求められる。噴射過程によって引き起こされた圧力振動のこの減衰は、既に噴射過程の開始後の短い持続時間の経過後に起こっているので、システムの運転中の噴射量の決定を、後続する噴射過程の開始のかなり前に行うことができる。そのため、求められた噴射量が目標噴射量から場合によってずれている場合に迅速に対応することも可能であり、これによって、後続する噴射過程において目標噴射量からの実際の噴射量のずれを迅速に低減させることができる。

この圧力低下Δｐから、ステップＳＴ８では、求めるべき噴射量に対応する、噴射過程によって生じた流体の体積減少が、以下の関係式：
Ｖ_ｉｎｊ＝ΔＶ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝（Ｖ_{ｔｏｔａｌ}・Δｐ）／Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}
に従って求められる。ただし、Ｖ_{ｔｏｔａｌ}は管路システムの総体積である。

噴射された流体質量ｍ_ｉｎｊは、最終的にステップＳＴ９において、以下の関係式：
ｍ_ｉｎｊ＝Ｖ_ｉｎｊ・Ｑ
によって求められる。

したがって、前述の式によって記述された方法は、噴射過程の枠内で噴射された流体量Ｖ_ｉｎｊを、管路の始端および終端において測定された圧力信号と、噴射過程の開始の情報と、流体の密度とを使用して求めることを可能にする。測定された圧力値は、噴射過程の開始時点と、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点との間の時間差分を形成するために使用される。形成された時間差分は、管路システム内の流体の伝播速度を求めるために用いられる。管路システム内の流体の伝播速度を使用して、管路システムの剛性が求められる。噴射された流体量は、最終的に管路システムの求められた剛性を使用して求めることができる。噴射された流体量からはさらに、流体の密度を使用して、噴射された流体質量を決定することができる。

この手順により、噴射システムの運転中に特に温度変動および管路システム内の空気含有量にも基づいて変化する管路システムの剛性を、噴射された流体量を求める際に考慮し、後続する噴射過程のための制御信号の生成のために考慮することが、好ましいやり方で達成される。噴射された流体量を求めることは、非常に短い時間で行うことができる。なぜなら、この求めることに必要なすべての情報は、既に噴射過程によって引き起こされた圧力振動の減衰後に得られるからである。後続する噴射過程までの時間間隔は、この手順では重要ではない。噴射された流体量を求めることは、噴射過程によって引き起こされる前述の圧力振動が減衰すると直ちに、単一の噴射過程の持続時間中に行うことができる。

図２は、図１に示されている管路１の管路始端の領域における圧力経過を示す線図である。この線図では、上方に向かって圧力ｐ２がｂａｒでプロットされ、右方に向かって時間がｓでプロットされている。

図３は、図１に示されている管路１の管路終端の領域における圧力経過を示す線図である。この線図では、上方に向かって圧力ｐ１がｂａｒでプロットされ、右方に向かって時間がｓでプロットされている。

示されている実施例では、初期状態として、管路始端の領域においても管路終端の領域においてもそれぞれ７ｂａｒの高さの圧力が存在している。

この初期状態から出発して、制御ユニット４により、噴射過程は、次のことによってトリガされる。すなわち、制御ユニット４が噴射弁を開く制御信号ｓ２を、管路終端に接続された噴射弁３に出力することによってトリガされる。

その結果として、管路１の管路終端の領域において圧力低下が発生し、この圧力低下は、管路終端の領域に位置する圧力センサＳ１の出力信号に基づいて検出される。ここでは、管路終端の領域において図３に示されているような圧力経過が生じる。噴射過程の開始時点ｔ１は、初期状態の７ｂａｒから出発して圧力の低下が始まると直ちに存在する。

噴射過程の開始に対する反応として生じる管路１の始端領域における圧力経過は、図２に示されている。この圧力経過の順次連続する圧力値は、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点ｔ２を求めるために相互に比較される。この時点ｔ２は図２に特徴的に示されている。

制御ユニット４は、噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点ｔ２と、噴射過程の開始時点ｔ１との間の時間差分Δｔを、以下の関係式：
Δｔ＝ｔ２−ｔ１
を用いて形成する。

続いて、制御ユニット４は、時間差分Δｔを使用して管路１内の燃料の伝播速度を求める。ここでは以下の関係式：
ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝ｌ_Ｐｉｐｅ／Δｔ
が成り立つ。ただし、ｌ_Ｐｉｐｅは管路１の長さである。

次のステップでは、この伝播速度が、システムの固有周波数の計算のために使用される。このことは、以下の関係式：
ｆ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝Ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ}／２・ｌ_Ｐｉｐｅ
を用いて行われる。

さらに、伝搬速度は、管路１の剛性を求めるために使用される。このことは、以下の関係式：
Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝ｃ_{Ｓｙｓｔｅｍ} ^２・Ｑ
を用いて行われる。ただし、Ｑは燃料の密度である。

続いて、噴射過程によって生じた管路始端の領域における圧力差分が求められる。このことは、噴射過程によって引き起こされた圧力振動の減衰後、既に後続する噴射過程の開始前に、圧力センサＳ２を用いた圧力ｐ３の測定と、以下の圧力値ｐ１およびｐ３からの差分形成：
Δｐ＝ｐ１−ｐ３
とによって行われる。

圧力差分Δｐおよび求められた剛性Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}は、求めるべき噴射量に対応する、噴射過程によって生じた体積減少を、以下の関係式：
Ｖ_ｉｎｊ＝ΔＶ_{Ｓｙｓｔｅｍ}＝（Ｖ_{ｔｏｔａｌ}・Δｐ）／Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}
に従って求めるために使用される。

このようにして求められた噴射量および燃料の密度は、最終的に噴射された燃料質量を以下の関係式：
ｍ_ｉｎｊ＝Ｖ_ｉｎｊ・Ｑ
に従って求めるために使用される。

次に続く図４および図５は、噴射過程における剛性の管路の特性との比較において、可撓性管路の異なる特性を、それぞれシステムの空気含有量ＬＧに依存して示している。ここでは、可撓性管路とは、その剛性が比較的低い管路を意味するものと理解されたい。剛性管路とは、その剛性が高い管路、例えばスチール製管路を意味するものと理解されたい。

図４は、本発明による方法およびシミュレーションにおいて、可撓性管路の存在下およびスチール製管路の存在下で求められた噴射された燃料量Ｖ_ｉｎｊを示す線図である。ここでは、図４ａでは、可撓性管路の存在下で求められた噴射された量が示されており、図４ｂでは、スチール製管路の存在下での噴射された量が示されている。この場合、右方に向かってそれぞれ流体中の空気含有量ＬＧがプロットされている。実線は、ここではそれぞれシミュレーションを用いて求められた、噴射された流体量に対する値を示し、一点鎖線は、本発明による方法を用いて求められた値を示す。

図４に示されている経過から特に明らかなことは、
−求められた噴射された流体量は相互に異なっていること、
−スチール製管路の存在下で求められた噴射された流体量は、同じ経過を有しているが相互にオフセットを有していること、
−可撓性管路の存在下で求められた噴射された流体量は、異なった経過を有していること。ただし、増加する空気含有量ＬＧの下でシミュレーションを実行する際の経過は実質的に指数関数的に上方に向かって増加し、本発明による方法を使用する際には、同様に実質的に指数関数的に上方に向かって増加するが強い跳躍的変化を伴うこと
である。

図５は、可撓性管路の存在下（図５ａ）およびスチール製管路の存在下（図５ｂ）で流体中の空気の割合に依存して剛性を示す線図である。これらの線図からも明らかなことは、可撓性管路システムの存在下での管路システムの剛性に対する空気含有量の影響は、剛性管路システムの存在下でのものとは異なっているため、噴射された流体量も相互に異なっていることである。

１ 管路
２ 圧送ポンプ
３ 噴射弁
４ 制御ユニット
Ｓ１ 圧力センサ
Ｓ２ 圧力センサ
ｓ１ 制御信号
ｓ２ 制御信号
ｐ１ センサ信号、圧力値
ｐ２ センサ信号、圧力値

Claims (11)

1. 流体が管路システムを通って噴射要素に搬送される、自動車の噴射システムを用いて実施される噴射過程における噴射された流体量を求める方法であって、
   第１の圧力センサ（Ｓ２）の出力信号（ｐ２）を使用して、前記噴射過程によって引き起こされた圧力勾配の最大値の発生時点（ｔ２）を求めるステップと、
   前記噴射過程によって引き起こされた前記圧力勾配の最大値の前記発生時点（ｔ２）と、前記噴射過程の開始時点（ｔ１）との間の時間差分（Δｔ）を形成するステップと、
   形成された前記時間差分（Δｔ）を使用して、前記管路システム内の前記流体の伝播速度（ｃ）を求めるステップと、
   前記伝播速度（ｃ）を使用して、前記管路システムの剛性（Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}）を求めるステップと、
   求められた前記管路システムの前記剛性（Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}）を使用して、前記噴射された流体量（Ｖ_ｉｎｊ）を求めるステップと、
   を含む方法。
2. 前記噴射過程の前記開始時点（ｔ１）は、制御ユニット（４）によって設定される、請求項１記載の方法。
3. 前記噴射過程の前記開始時点（ｔ１）は、第２の圧力センサ（Ｓ１）の出力信号を使用して求められる、請求項１または２記載の方法。
4. 噴射された流体質量（ｍ_ｉｎｊ）は、前記噴射された流体量（Ｖ_ｉｎｊ）と前記流体の密度（Ｑ）とを使用して求められる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記管路システム内の前記流体の伝播速度（ｃ）を、以下の関係式：
   ｃ＝ｌ／Δｔ
   に従って求め、ただし、前記ｃは伝播速度であり、前記ｌは前記管路システムの長さであり、前記Δｔは、前記噴射過程の前記開始時点と、前記噴射過程によって引き起こされた前記圧力勾配の前記最大値の発生時点との間の前記時間差分である、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記管路システムの固有周波数（ｆ_{Ｓｙｓｔｅｍ}）は、前記伝播速度（ｃ）と、前記管路システムの前記長さ（ｌ）とから求められる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記管路システムの前記剛性（Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}）は、前記伝播速度（ｃ）と、前記流体の前記密度（Ｑ）とから求められる、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記流体の前記密度（Ｑ）は、メモリから取り出される、請求項７記載の方法。
9. 前記噴射過程によって生じる圧力差分（Δｐ）が求められる、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記噴射された流体量（Ｖ_ｉｎｊ）は、以下の関係式：
    Ｖ_ｉｎｊ＝（Ｖ_{ｔｏｔａｌ}・Δｐ）／Ｅ_{Ｓｙｓｔｅｍ}
    に従って求められ、ただし、前記Ｖ_{ｔｏｔａｌ}は前記管路システムの総体積である、請求項９記載の方法。
11. 流体が管路システムを通って噴射要素に搬送される、自動車の噴射システムを用いて実施される噴射過程における噴射された流体量を求める装置において、
    前記装置が制御ユニット（４）を有しており、該制御ユニットは、請求項１記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする装置。

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