(57)【要約】燃料プロセッサと燃料源とを備える燃料電池システムにおける燃料インジェクタ故障を識別する診断システム及び方法。燃料インジェクタは燃料を燃料源から燃料プロセッサへ供給する。圧力センサは燃料源と燃料インジェクタとの間の圧力に基づいて圧力信号を生成する。燃料インジェクタ診断部は圧力信号に基づいて燃料インジェクタ故障を識別する。燃料インジェクタ診断部は圧力信号を移動ウィンドウにおいて追跡する移動ウィンドウ追跡装置を備える。更に、燃料インジェクタ診断部は移動ウィンドウにおける圧力信号に基づいて標準偏差又は変化を生成する標準偏差又は変動計算装置を備える。
2005529463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおける燃料インジェクタ故障を識別するための診断システムであって、
燃料プロセッサと、
燃料源と
前記燃料源から前記燃料プロセッサへ燃料を供給する燃料インジェクタと、
前記燃料源と前記燃料インジェクタとの間の圧力に基づいて圧力信号を生成する圧力センサと、
前記圧力信号に基づいて燃料インジェクタ故障を識別する燃料インジェクタ診断部と、
を具備する診断システム。
【請求項２】
前記燃料源から前記燃料インジェクタへ燃料を供給する燃料ポンプを更に備える、請求項１に記載の診断システム。
【請求項３】
前記燃料タンクと通信し、前記燃料ポンプと前記燃料インジェクタとの間の圧力を調整するレギュレータを更に備える、請求項２に記載の診断システム。
【請求項４】
前記燃料インジェクタ診断部が、プロセッサとメモリを有するコントローラを用いて実現される、請求項１に記載の診断システム。
【請求項５】
前記燃料インジェクタ診断部が、前記圧力信号を移動ウィンドウにおいて追跡する移動ウィンドウ追跡装置を備える、請求項１に記載の診断システム。
【請求項６】
前記燃料インジェクタ診断部が、前記移動ウィンドウにおける前記圧力信号に基づいて標準偏差を生成する標準偏差計算装置を更に備え、前記標準偏差が第１の閾値よりも小さいとき前記燃料インジェクタ診断部が表示器を作動させ、前記標準偏差が第２の閾値よりも小さいとき前記燃料インジェクタ診断部が前記燃料電池を停止させる、請求項５に記載の診断システム。
【請求項７】
前記燃料インジェクタ診断部が、前記移動ウィンドウにおける前記圧力信号に基づいて変化を生成する変動計算装置を更に備え、前記変化が第１の閾値よりも小さいとき前記燃料インジェクタ診断部が表示器を作動させ、前記変化が第２の閾値よりも小さいとき前記燃料インジェクタ診断部が前記燃料電池を停止させる、請求項５に記載の診断システム。
【請求項８】
前記燃料インジェクタ診断部が、前記燃料インジェクタ診断部を動作可能にする診断動作許可装置を更に備える、請求項５に記載の診断システム。
【請求項９】
前記診断動作許可装置が、インジェクタ指令とインジェクタ指令最小信号とを受信するコンパレータを更に備える、請求項８に記載の診断システム。
【請求項１０】
前記コンパレータと通信し、前記コンパレータ信号がハイになった後の第１の期間後にローからハイに遷移し、前記コンパレータ信号がローになった後の第２の期間後にハイからローへ遷移するノイズ低減装置を更に備える、請求項９に記載の診断システム。
【請求項１１】
燃料電池システムにおける燃料インジェクタ故障を診断するための方法であって、
燃料インジェクタを用いて燃料を燃料源から燃料プロセッサへ供給するステップと、
前記燃料源と前記燃料プロセッサとの間の圧力に基づいて圧力信号を生成するステップと、
前記圧力信号に基づいて燃料インジェクタ故障を識別するステップと、
を備える方法。
【請求項１２】
燃料を前記燃料源から前記燃料プロセッサへ供給するステップを更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ポンプと前記燃料インジェクタとの間の圧力を調整するステップを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記燃料インジェクタ診断部が、プロセッサとメモリを有するコントローラを用いて実現される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧力信号を移動ウィンドウにおいて追跡するステップを更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記移動ウィンドウにおける前記圧力信号に基づいて標準偏差を生成するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記標準偏差を第１の閾値と比較するステップと、
前記標準偏差が前記第１の閾値を越える場合に表示灯を作動させるステップと、
を更に備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記標準偏差を第２の閾値と比較するステップと、
前記標準偏差が前記第２の閾値を越える場合に前記燃料インジェクタを停止させるステップと、
を更に備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記移動ウィンドウにおける前記圧力信号に基づいて変動を生成するステップを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記変動を第１の閾値と比較するステップと、
前記変動が第１の閾値を越える場合に表示灯を作動させるステップと、
を更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記変化を第２の閾値と比較するステップと、
前記変動が前記第２の閾値を越える場合に前記燃料インジェクタを停止させるステップと、
を更に備える、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料インジェクタに関するものであり、特に、燃料電池システムにおける燃料インジェクタの故障を識別するための診断システムに関する。
発明の背景
車両の内燃機関に対する燃料の供給を制御するために、パルス型燃料インジェクタが使用される。パルス型燃料インジェクタは、典型的には、液体燃料を水素リッチな気体ストリームへ変換する燃料電池と共に使用される。パルス型燃料インジェクタは内燃機関における使用から得られた経験に起因して、頑丈で費用効率がよいことが証明されている。
【０００２】
内燃機関における燃料インジェクタの性能低下や故障を診断する従来の方法は、燃料電池の応用には適していない。典型的には、内燃機関の診断システムは、故障した燃料インジェクタの負の影響をチェックする。例えば、車両のオンボード診断（ＯＢＤ）方法はシリンダのミスファイアを監視する。インジェクタが故障すると、故障したインジェクタによってクランクシャフト速度が一時的に低下させられる。この低下を位置センサが検出し、エンジン・チェック灯を点灯させる。
【０００３】
内燃機関においては、インジェクタは閉じた位置において故障するのが典型的であるが、これはエンジンを損傷しない。燃料、空気及びスパークの間の短期間のミスバランスは、典型的には、エンジン耐久性に影響しない。しかし、燃料電池燃料プロセッサにおいては、入力のバランスは一層重要である。燃料、空気及び水の適正なバランスは燃料プロセッサの触媒を適正な動作条件に保つ。
【０００４】
燃料インジェクタが走行中に故障すると、燃料プロセッサの温度が変化し始める。燃料インジェクタがほぼ閉じた位置で故障すると、酸素対炭素比（Ｃ／Ｏ）の上昇によって温度が上がる。燃料インジェクタが完全に閉じた又は開いた状態で故障すると、温度は最終的には低下する。燃料プロセッサはかなりの質量を持つので、温度低下は急速には生じない。この期間に、水と空気は適切な反応を起こさないまま燃料プロセッサのコンポーネントに到達するので、該コンポーネントを損傷することになる。また、温度変化は他の問題、例えば、適正でない水と空気によっても起こり得る。したがって、温度の監視は故障したインジェクタを必ずしも識別しない。
【０００５】
燃料インジェクタが始動期間に故障すると、それを検出するまでシステムは数分動作する。冷えた燃料プロセッサにおいては、燃料インジェクタが作動していても、温度の上昇にはかなりの時間を要することが多い。故障したインジェクタは最初の燃料指令のずっと後まで温度に基づく診断ができない。この時までに、適正でない量の燃料が燃料プロセッサに供給されてしまう。
【０００６】
燃料フロー・センサを用いて、故障したインジェクタを診断することができる。燃料フロー・センサは高価であり、典型的には、故障し易い運動パーツを有する。燃料フロー・センサはコスト、サイズ及び重量を追加し、信頼性を低減し、配線とコントローラＩ／Ｏを必要とする。
【０００７】
発明の概要
診断システム及び方法は、燃料プロセッサと燃料源とを含む燃料電池システムにおける燃料インジェクタの故障を識別する。燃料インジェクタは燃料を燃料源から燃料プロセッサへ供給する。圧力センサは、燃料源と燃料インジェクタとの間の圧力に基づいて圧力信号を生成する。燃料インジェクタ診断部は圧力信号に基づいて燃料インジェクタの故障を識別する。
【０００８】
他の特徴においては、燃料ポンプが燃料を燃料源から燃料インジェクタへ送る。レギュレータが燃料タンクと通信し、燃料ポンプと燃料インジェクタとの間の圧力を調整する。燃料インジェクタ診断部は、プロセッサとメモリを備えたコントローラを用いて実現される。
【０００９】
更に他の特徴においては、燃料インジェクタ診断部は圧力信号を追跡する移動ウィンドウを備える。また、燃料インジェクタ診断部は、移動ウィンドウでの圧力信号に基づいて標準偏差を生成する標準偏差計算装置を備える。代わりに、燃料インジェクタ診断部は、移動ウィンドウでの圧力信号に基づいて変動を生成する変動計算装置を備える。
【００１０】
更に別の特徴においては、燃料インジェクタ診断部は燃料インジェクタ診断を可能とする診断許可装置を備える。診断許可装置は、インジェクタ指令とインジェクタ指令最小信号とを受け取るコンパレータを備える。ノイズ低減装置はコンパレータと通信してコンパレータ信号がハイになった後の第１期間後にローからハイに遷移し、コンパレータ信号がローになった後の第２期間後にハイからローに遷移する。
【００１１】
本発明の更なる応用分野は、後述する詳細な説明から明らかになろう。理解されるように、詳細な説明及び特定の例は、発明の好ましい実施の形態を示してはいるが、例示の目的で記載されており、発明の範囲を限定するものではない。本発明は、詳細な説明と添付の図面とから十分に理解することができるであろう。
【００１２】
好ましい実施の形態の詳細な説明
好ましい実施の形態の以下の記述は本質的に単なる例示であって、発明やその応用又は使用を限定するものではない。明確にするために、図面において同じ参照番号は同じエレメントを指す。
【００１３】
燃料電池の燃料プロセッサにおいて、入力のバランスは重大である。典型的には、入力は燃料、空気及び水を含む。燃料プロセッサへの燃料の流れが停止すると、空気及び水は燃料プロセッサのコンポーネントを通過する。空気は或る触媒を非活性化する。水は燃焼していない燃料プロセッサを損傷し得る。故障したインジェクタのために燃料が燃料プロセッサに入っていないので、燃料プロセッサに入る水は蒸気ではなく、液体の水であり得る。停止後に燃料プロセッサのコンポーネントに留まる液体の水は触媒に問題を生じる。また、液体の水は腐食を促進し、耐久性を劣化させ、氷点下の気温において始動に問題を生じる。多すぎる燃料が流れていて、極めて低いＯ／Ｃ又はＳ／Ｃを生じると、炭素を形成する可能性があり、このため、燃料プロセッサや他の下流側のコンポーネント（例えば燃料電池スタック）を損傷することになる。
【００１４】
図１において、燃料電池の燃料プロセッサ２２のための燃料システム２０は、燃料ポンプ２４、燃料レギュレータ２６及び燃料インジェクタ２８を備える。燃料圧力センサ３０は圧力信号を生成し、この信号は、故障したポンプ又はレギュレータを診断するためにコントローラ３４によって使用される。ポンプ２４が動作を停止し又はレギュレータ２６が開いた位置で故障すると、コントローラ３４は圧力低下を感知し、適宜のアクションを起こす。このアクションは、停止、表示器の作動及び他のアクションを含む。
【００１５】
レギュレータ２６が閉じた位置で故障すると、圧力は正常圧力よりも高くなり、コントローラ３４は適宜のアクションを起こす。通常、燃料インジェクタ２８はオフの位置すなわち閉じた位置で故障する。これが起こると、燃料圧力は適切なレベルを保つ。故障したインジェクタ２８を検出する従来の方法は、燃料プロセッサ２２における温度変化を感知するステップを含む。燃料インジェクタ２８が始動期間に故障すると、従来の方法は燃料プロセッサ２２の「着火」を待つことによって故障を検出する。これらのケースにおいては、燃料なしに空気と水が燃料プロセッサ２２に入る時間がかなり長いので、燃料プロセッサ２２を破損することになる。
【００１６】
本発明は、既存のハードウェアを利用して燃料インジェクタの問題の適時の且つ正確な診断を行う。燃料インジェクタ２８のオン・オフ制御は燃料システム２０に圧力波を生成する。圧力波は燃料インジェクタ２８が燃料を注入するために開閉しているときに生じる。燃料ポンプ２４又はレギュレータ２６の問題のために圧力センサ３０を監視するコントローラ３４は、動作している燃料インジェクタに関連する圧力波に対して圧力波を監視する。一つの実施形態においては、コントローラ３４は小さな移動する時間ウィンドウにおいて圧力信号の標準偏差を生成し且つ監視する。他の実施形態では圧力変化が監視される。コントローラ３４は標準偏差に基づいて燃料インジェクタ２８の動作を診断する。
【００１７】
図２において、動作している燃料インジェクタを表すグラフが図示されている。燃料インジェクタ２８が動作する前と後との燃料ライン圧力が図示されている。燃料インジェクタ２８がオンのとき、標準偏差は大幅に増加する。燃料システム２０において燃料圧力を確立するために、ポンプ「オン」指令は燃料インジェクタ「オン」指令より数秒だけ先に生じる。ポンプが最初にオンになるとき、大きな標準偏差が生じる。燃料インジェクタ診断部は燃料インジェクタ２８がオンに指令された後に動作可能にされることが好ましい。燃料インジェクタ診断部はポンプと燃料インジェクタとがオフのときには動作可能にされないので、小さい標準偏差は無視される。
【００１８】
図３を参照すると、故障した燃料インジェクタを示すグラフが図示されている。標準偏差が第１の閾値、例えば１５よりも小さくなると、警告灯が作動される。標準偏差が第２の閾値、例えば１０よりも小さくなると、燃料電池は停止される。
【００１９】
燃料システム２０は、動作している燃料インジェクタの圧力特性を決定するよう校正されることが好ましい。校正はポンプの力学特性、レギュレータの力学特性、注入頻度及び動作圧力等のシステム・ハードウェアにとって特有である。燃料システム２０を良く理解すると、圧力測定及び統計分析によって燃料インジェクタの劣化を決定することができる。これにより、問題によって停止される前に、故障した燃料インジェクタについて前もって警告することができる。したがって、警告と停止を識別する標準偏差の第１及び第２の閾値は変動する。また、システムの時間的変化、製造公差に起因する変動及び他の影響を考慮するよう、制御技術及び数学的手法により燃料システムの特性を動的に決定することは可能である。
【００２０】
図４を参照すると、燃料インジェクタ診断部の例示的な実施形態１００が図示されている。圧力センサからの燃料圧力信号は燃料圧力ウィンドウ１０２に入力される。燃料圧力ウィンドウは、回路を用いても、コントローラによって実行されるアルゴルズムを用いても、又は任意の他の手段によっても実現可能である。燃料圧力ウィンドウ１０２の出力は標準偏差又は変動の計算装置１０４に入力される。計算装置１０４は燃料圧力標準偏差又は変動を出力して燃料インジェクタ診断部１０６に与える。インジェクタ指令がコンパレータ１１０に入力される。コンパレータ１１０の他の入力はゼロにセットされることが好ましいインジェクタ指令最小と結合される。
【００２１】
コンパレータ１１０の出力はノイズ低減装置１１４に入力される。ノイズ低減装置１１４は、信号が第１の期間にわたりハイであった後にローからハイへ状態を変えるダブル・ディバウンス回路又はアルゴリズムを用いて実現することができる。ノイズ低減装置１１４は信号が第２の期間にわたりローであった後にハイからローへ変わる。ノイズ低減装置１１４はノイズの影響を低減し、燃料インジェクタ診断部１０６へ燃料インジェクタ診断許可信号を出力する。この入力信号に基づいて、燃料インジェクタ診断部１０６は燃料インジェクタ・フラグを立て、又は、故障が検出されるならば他の動作を行う。例えば、燃料インジェクタ診断部１０６は標準偏差が１５よりも小さいときには警告灯を作動させ、標準偏差が１０よりも小さいときには燃料電池を停止させる。理解されるとおり、変動等のインジェクタ特性を決定するための他の数学的手法を用いても良い。本発明は水注入システムと共に動作することもできる。
【００２２】
図５には、コントローラ３４を動作させるため例示のステップ１３０が図示されている。制御はステップ１３４で始まる。ステップ１３８において、コントローラ３４はポンプ２４がオンであるかどうかを決定する。ポンプがオンでなければ、制御ループはステップ１３８へ戻る。ポンプがオンであれば、制御はステップ１４２へ継続し、コントローラ３４は燃料インジェクタ２８がオンであるかどうかを決定する。燃料インジェクタ２８がオンでなければ、制御ループはステップ１４２へ戻る。燃料インジェクタ２８がオンであれば、制御ループはステップ１４６へ継続し、タイマを始動させる。
【００２３】
ステップ１５０において、コントローラ３４はタイマが終了しているかどうかを決定する。タイマが終了していなければ、制御ループはステップ１５０へ戻る。タイマが終了していれば、制御はステップ１５４へ継続し、時間ウィンドウに関する圧力標準偏差又は変動を計算する。ステップ１５８において、制御は計算された測定値が第１の閾値ＳＤ１（例えば、第１の標準偏差又は変動）より小さいかどうかを決定する。測定値がＳＤ１より小さくなければ、制御ループはステップ１５４へ戻る。測定値がＳＤ１より小さいならば、制御はステップ１６２において誤動作のフラグを立てる。ステップ１６４において、コントローラ３４は測定値が第２の閾値ＳＤ２（例えば、第２の標準偏差又は変動）よりも小さいかどうかを決定する。測定値がＳＤ２よりも小さいならば、コントローラ３４はステップ１６６において燃料電池を停止させ、制御はステップ１６８において終了する。測定値がＳＤ２より小さくなければ、コントローラ３４はステップ１５４へ戻る。
【００２４】
本発明に係る燃料インジェクタ診断システムは、インジェクタが燃料プロセッサを損傷しないうちに、故障したインジェクタを識別する。インジェクタの劣化が検出され、コントローラは強制停止の前にオペレータに警告を出す。燃料インジェクタが故障すると、その根本的原因が診断されるので、修理コストが低減される。
【００２５】
これまでの説明から当業者であれば理解するように、本発明の広い教示を種々の形態で実現することが可能である。したがって、本発明を特定の例に関係させて説明してきたが、発明の真の範囲を限定するものではない。なぜなら、図面、明細書及び請求項を検討すると、当業者には他の修正が明白だからである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】燃料インジェクタを備える燃料電池システムの機能ブロック図である。
【図２】動作しているインジェクタの動作を示すグラフである。
【図３】完全にオンの状態で故障したインジェクタの動作を示すグラフである。
【図４】燃料電池システムの燃料インジェクタのための診断システムの機能ブロック図である。
【図５】コントローラによって実行されるステップを示すフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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