燃料状态感测装置.pdf

具体实施方式

根据本发明的一个实施方式的传感器系统安装在用于交通工具的发动机(内燃发动机)中。喷射高压燃料并且产生多个气缸#1-#4中的压缩自燃燃烧的柴油机被假定作为在本实施方式中的发动机。

图1是示出了安装在发动机的每个气缸中的喷射器10、安装到喷射器10上传感器装置20、安装在交通工具中的电子控制单元30(ECU)等的示意图。

首先，将说明包括燃料喷射器10的发动机的燃料喷射系统。燃料箱40中的燃料被高压泵42(燃料泵)抽吸通过过滤器41并且被泵送到共轨43(蓄压器)。蓄积在共轨43中的燃料被分配和供给到相应气缸的喷射器10。

如以下说明的那样，喷射器10具有本体11、阀针12(阀部件)、致动器13等。本体11限定出内部的高压通道11a和用于喷射燃料的喷射孔11b。阀针12被容纳在本体11中并且打开和关闭喷射孔11b。致动器13迫使阀针12执行打开-关闭操作。

ECU 30控制致动器13的驱动以控制传动阀针12的打开-关闭操作。因此，从共轨43供给到高压通道11a的高压燃料根据阀针12的打开-关闭操作从喷射孔11b被喷射。例如，ECU 30基于发动机输出轴的旋转速度、发动机负载等计算喷射模式，例如喷射开始时刻、喷射结束时刻和喷射量。ECU 30控制致动器13的驱动以实现所计算的喷射模式。

接下来，将说明传感器装置20的硬件构造。

如以下所说明的那样，传感器装置20具有杆21(应变元件)、燃料压力传感器22(体积弹性模量感测部件)、燃料温度传感器23(燃料温度感测部件)、模制IC 24等。杆21被固定到本体11上。形成于杆21中的隔板部件21a接收流动通过高压通道11a的高压燃料压力并且弹性变形。

燃料压力传感器22具有包括被固定到隔板部件21a上的压敏电阻元件的电桥电路。压敏电阻元件的电阻根据杆21的应变量、即高压燃料的压力(燃料压力)而变化。因此，电桥电路(燃料压力传感回路22)输出对应于燃料压力的压力感测信号。

燃料温度传感器23具有包括被固定到隔板部件21a上的温敏电阻元件的电桥电路。温敏电阻元件的电阻根据取决于燃料温度变化的杆21的温度(燃料温度)而变化。因此，电桥电路(燃料温度传感器23)输出对应于燃料温度的温度感测信号。

模制IC 24与杆21一起安装到喷射器10上。模制IC 24由例如为放大压力感测信号和温度感测信号的放大电路的电子构件、施加电压到燃料压力传感器22和燃料温度传感器23的电桥电路的电源电路、以及存储器25(存储装置)利用树脂形成。连接器14被提供给本体11的上部。模制IC 24和ECU 30通过与连接器14连接的线束15电连接。

传感器装置20被安装到相应气缸的喷射器10中的每一个上。ECU 30接收来自相应传感器装置20的压力感测信号和温度感测信号。压力感测信号不仅取决于燃料压力而且取决于传感器温度(燃料温度)而变化。也就是说，甚至在实际燃料压力相同的情况下，如果燃料压力传感器22的温度当时不同，那么压力感测信号也呈不同的值。考虑到这一点，ECU 30基于获得的燃料温度通过修正获得的燃料压力进行温度补偿。在下文中，已经如此承受温度补偿的燃料压力将被简单地称作感测压力。ECU 30通过使用被如此而计算代入的感测压力进行用于计算喷射模式的过程，所述喷射模式例如为从喷射孔11b喷射的燃料的喷射开始时刻、喷射时间和喷射量。

接下来，将参考图2说明喷射模式的计算方法。

图2的部分(a)示出了从ECU 30输出到喷射器10的致动器13的喷射指令信号。由于指令信号的起动，致动器13运行并且喷射孔11b打开。也就是说，在喷射指令信号的起动时刻t1处命令喷射开始，并且在关断时刻t2处命令喷射结束。因此，通过以指令信号的起动时间段(即喷射指令时间段)控制喷射孔11b的阀门打开时间Tq，喷射量Q被控制。

图2的部分(b)示出了来自喷射孔11b的燃料的燃料喷射率R随着以上所述喷射指令而发生的变化(过渡)。图2的部分(c)示出了感测压力P随着喷射率R的变化而发生的变化(波动波形)。如以下所说明的那样，在感测压力P的波动和喷射率R的变化之间存在相关性。因此，喷射率R的过渡波形可以根据感测压力P的波动波形被估算。

也就是说，如图2的部分(a)所示，在时刻t1之后当喷射开始指令信号输出时，喷射率R在时刻R1处开始增大并且喷射开始。随着喷射率R在时刻R1处开始增大，感测压力P在变化点P1处开始减小。然后，随着喷射率R在时刻R2处达到最大喷射率，感测压力P的减小在变化点P2处停止。然后，随着喷射率R在时刻R2处开始减小，感测压力P在变化点P2处开始增大。然后，随着在时刻R3处喷射率R变为零和实际喷射结束，感测压力P的增大在变化点P3处停止。

因此，通过检测感测压力P的波动中的变化点P1和P3，与变化点P1、P3相关的喷射率R的增大开始时刻R1(实际喷射开始时刻)和减小结束时刻R3(实际喷射结束时刻)可以被计算。另外，通过从感测压力P的波动感测压力减小率Pα、压力增大率Pγ和压力减小量Pβ，可以计算与值Pα、Pγ、Pβ相关的喷射率增大率Rα、喷射率减小率Rγ和喷射率增大量Rβ。

喷射率R从实际喷射开始到实际喷射结束的积分值(即图2的部分(b)中示出的阴影部分S的面积)对应于喷射量Q。与喷射率R从实际喷射开始到实际喷射结束的变化相对应的感测压力P的波动波形的一部分(即从变化点P1到变化点P3的部分)中的压力P的积分值与喷射率R的积分值S相关。因此，等于喷射量Q的喷射率积分值S可以通过从感测压力P的波动计算压力积分值而被计算。

例如，当过滤器41的阻塞发展或当异物被引入高压泵42或管道内的燃料通道中时，存在从燃料箱40延伸到喷射孔11b的燃料供给路线稍微受阻的情况。在这种情况下，当燃料经过稍微受阻的缩窄部分(阻塞部分)时，存在包含在燃料中的空气成分沉淀的情况，因此空气混入燃料。另外，当例如为开裂的损坏情况存在于构成燃料供给路线的管道中时(即当管道异常情况存在时)，存在空气通过损坏部分进入管道内部的情况，因此空气混入燃料中。

如果空气的混入出现并且到燃料中的混入空气的量(空气混入量)增大，那么例如为实际燃料喷射量与目标燃料喷射量相比极度减小和实际燃料喷射量变化的问题出现。在这种情况下，当ECU 30进行反馈控制以使得如上所述根据感测压力P被计算的实际喷射量Q逼近目标喷射量时，ECU30变得不可能以高精度进行反馈控制。

因此，根据本实施方式，空气混入量Qa作为体积弹性模量K和燃料温度T的函数被计算。在本实施方式中，使用利用燃料压力传感器22感测的压力感测值P计算体积弹性模量K。使用利用燃料温度传感器23感测的温度感测值计算燃料温度T。然后，根据计算结果K、T计算空气混入量Qa。

体积弹性模量K是存在于从高压泵42的排出口42a延伸到相应喷射器10的喷射孔11b的整个燃料供给路线中的燃料的体积弹性模量。体积弹性模量K是满足关于某种流体的压力变化的以下关系表达式的系数K：ΔP＝K·ΔV/V。在所述关系表达式中，K是体积弹性模量、ΔP是伴随流体体积变化的压力变化量、V是体积、ΔV是相对体积V的体积变化量。系数K的倒数等于压缩比。

接下来，将参考图3中示出的流程图说明通过设置在ECU 30中的微型计算机进行的体积弹性模量K的计算的程序。

首先在S10(S意为“步骤”)中，获得利用燃料压力传感器22感测的感测压力P。在接下来的S11(燃料压力减小量计算部件)中，从指示出获得的感测压力P的波动波形(参见图2的部分(c))计算随着单次喷射发生的燃料压力P的减小量ΔP。更特别地，通过从变化点P1处的感测压力P上减去变化点P3处的感测压力P而计算从喷射开始时刻到喷射结束时刻引起的燃料压力P的减小量ΔP。

在接下来的S12(喷射量计算部件)中，根据波动波形计算喷射量Q。更特别地，如上所述，根据图2的部分(c)中示出的波动波形计算图2的部分(b)中示出的喷射率R的过渡波形。然后，使用计算的过渡波形计算喷射率R从实际喷射开始到实际喷射结束的积分值S(喷射量Q)。

在接下来的S13中，基于在S11中计算的减小量ΔP和在S12中计算的喷射量Q计算体积弹性模量K。更特别地，以上所述关系表达式(ΔP＝K·ΔV/V)中的ΔP等于减小量ΔP，ΔV等于喷射量Q。预先被测量和存储在存储器25中的值被用作V。通过将减小量ΔP、喷射量Q(ΔV)和测量值V代入以上所述的关系表达式中，体积弹性模量K被计算。

接下来，将参考图4中示出的流程图说明通过设置在ECU 30中的微型计算机进行的空气混入量Qa的计算的程序。

首先，在S20中，获得在图3的S13中计算的体积弹性模量K。在接下来的S21中，获得利用燃料温度传感器23感测的感测温度T。

在接下来的S22(空气混入状态计算部件)中，基于在S20中获得的体积弹性模量K和在S21中获得的感测温度T计算空气混入量Qa。在下文中，将说明根据体积弹性模量K和感测温度T计算空气混入量Qa的方法。

空气混入其中的燃料(即空气混入的燃料)中的声速“a”由以下的表达式1表示。

表达式1：

1a=γw-(γw-γa)VaVg×1+(KwKa-1)VaVKw]]>

在表达式1中，γw表示没有空气混入其中的燃料的相对密度、γa是空气的相对密度、Va是在燃料中混入的空气的体积(等于空气混入量Qa)、V是空气混入的燃料的体积、g是重力加速度、Kw是没有空气混入其中的燃料的体积弹性模量、Ka是空气的体积弹性模量。

γw、γa和g是已知的数值。V等于燃料路线(例如从高压泵42的排出口42a延伸到喷射孔11b的路线)的容积并且可以被预先获得。Kw和Ka可以通过试验被预先获得。然而，由于Kw和Ka的值取决于温度而取不同的值，因此需要获得对于各温度的Kw和Ka的值。因此，对于确定Kw和Ka的值来说以上所述的感测温度T是必需的。

以上所述的声速“a”也可以由以下的表达式2表示。表达式2中的ρwa可以由以下的表达式3表示。表达式2中的γwa可以由以下的表达式4表示。Kwa表示空气混入的燃料的体积弹性模量，ρwa是空气混入的燃料的密度，以及γwa是空气混入的燃料的相对密度。

表达式2：

a=Kwaρwa]]>

表达式3：

ρwa=γwag]]>

表达式4：

γwa=γaVaV+γwV-VaV]]>

因此，通过将表达式4代入表达式3的γwa中而获得数值表达式并且通过将所获得的数值表达式代入表达式2的ρwa中，空气混入的燃料中的声速“a”可以由Kwa、g、γa、γw、V和Va(等于空气混入量Qa)表示。也就是说，声速“a”可以由Va和Kwa的函数表示。

表达式1利用Va的函数表示声速“a”。因此，通过解由根据表达式2到4而获得的等式构成的联立方程以及表达式1，Va(等于空气混入量Qa)可以由Kwa的函数表示。因此，如果感测温度T已知，那么表达式1中Kw和Ka的值可以被确定。如果体积弹性模量K(等于空气混入的燃料的体积弹性模量Kwa)已知，那么Va(等于空气混入量Qa)可以被计算。

在图4中，在接下来的S23中，确定在S22中计算的空气混入量Qa是否“等于或大于”阈值TH。如果空气混入量Qa小于阈值TH，则图4的过程结束。如果空气混入量Qa等于或大于阈值TH，则在接下来的S24中确定阻塞异常情况或管道损坏存在于燃料供给路线中，即确定有异常情况。在这种情况下，指示出异常情况的诊断信号被输出并且异常情况被报告给内燃发动机的操作者。

如上所述的本实施方式发挥以下作用。

(1)体积弹性模量K和燃料温度T被感测，并且通过将感测的体积弹性模量K和燃料温度T代入函数f(K，T)中，空气混入量Qa被计算。因此，可以实现空气混入量Qa的计算。

(2)在将喷射器10安装到内燃发动机中和将产品投放市场之前的阶段中，体积弹性模量K可以通过试验获得。然而，体积弹性模量K根据例如为当时使用的燃料的粘性和相对密度的燃料性质、所使用的燃料的温度等而变化。因此，如果在投放市场之前通过试验获得的体积弹性模量K按照原样被使用，那么存在体积弹性模量K偏移实际体积弹性模量K的担心。

与此相对地，根据本实施方式，使用利用燃料压力传感器22感测的感测压力P在机载状态下感测(计算)体积弹性模量K。因此，甚至在投放市场之后，体积弹性模量K也可以在每个预定时间处(或在每个预定的行进距离处)被计算。因此，实际体积弹性模量K可以以高精度被计算并且空气混入量Qa的计算精度可得以提高。

(3)被用于计算空气混入量Qa的燃料温度T利用安装到喷射器10上的燃料温度传感器23感测。因此，在当高压泵42压缩燃料时生成的热量的影响小于使用安装在高压泵42的排出口42a处的燃料温度传感器的情况下的影响的位置处，温度被感测。因此，空气混入量Qa可以以高精度被计算。

(4)在本实施方式中，当空气混入量Qa等于或大于预定阈值TH时，确定有异常情况。如果阻塞异常情况将与本实施方式不同地基于穿过过滤器41的压力差被确定，那么用于测量压力差的差压传感器是必需的。与此相对地，根据本实施方式，空气混入量Qa可以通过使用被用于燃料喷射控制的燃料压力传感器22和燃料温度传感器23的感测值而计算。因此，过滤器41的阻塞异常情况和管道损坏异常情况可以在不必需压差传感器的情况下被确定。

(其他实施方式)

本发明不限于以上所述的实施方式，而是可以例如作出如下的变化和实施。此外，实施方式的特征结构可以任意结合。

在以上所述实施方式中，空气混入量Qa(等于表达式1中的Va)在图4的S22中被计算。备选地，作为混入燃料中的空气的体积Va(空气混入量Qa)相对空气混入的燃料的体积的比率，空气混入比率可以被计算。空气混入比率Va/V可以通过使用体积弹性模量K、感测温度T和表达式1到4被计算。在这种情况下，当空气混入比率Va/V等于或大于图4的S23中的阈值TH1时，可以确定阻塞异常情况或管道损坏存在。

在以上所述实施方式中，被用于计算空气混入量Qa的燃料温度T利用安装到喷射器10上的燃料温度传感器23感测。备选地，例如，燃料温度T可以利用安装在高压泵42的排出口42a或吸入口处的燃料温度传感器感测。

在以上所述实施方式中，用于计算空气混入量Qa的体积弹性模量K(减小量ΔP和喷射量Q(ΔV))利用安装到喷射器10上的燃料压力传感器22感测。备选地，例如，体积弹性模量K可以利用提供给共轨43的燃料压力传感器感测。

本发明不应局限于所公开的实施方式，而是可以在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下以许多其它方式实施。