JP2007023930A - 蓄圧式燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射弁の噴射量精度を向上させると共に、噴射期間中の噴射圧を平滑化し、安定した燃焼状態及び運転性能が得られる蓄圧式燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】 コモンレール１は減圧弁８を備えていて、コモンレール内の燃料の圧力推移状態を推定する圧力パターン推定手段と、該圧力パターン推定手段による圧力パターンデータが目標コモンレール圧を上回る圧力領域を演算する余剰圧領域演算手段とによって演算された余剰圧力領域を取り除くように、減圧弁を作動させコモンレール圧を低圧側に排出制御する。これにより、噴射期間中のコモンレール圧（噴射圧）を平滑化する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主としてディーゼルエンジンに用いられる蓄圧式燃料噴射制御装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置として、燃料の噴射圧力に相当する高圧燃料を蓄圧する蓄圧容器（コモンレール）と、この蓄圧容器内の高圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射供給する燃料噴射弁（インジェクタ）と、加圧室内に吸入される燃料を加圧して高圧化し蓄圧容器に圧送する吸入調量型の燃料供給ポンプ（サプライポンプ）とを備えた蓄圧式燃料噴射装置が知られている。

この従来の蓄圧式燃料噴射装置では、蓄圧容器内のコモンレール圧は、エンジンにより駆動される燃料供給ポンプの脈動を受けるために波形状に絶えず変動している。この場合、燃料噴射弁の噴射期間がこの波形状変動圧のどこの部分で行われているかによって、燃料噴射量が異なってくる。噴射中の圧力の変動により、噴射量が変わってくる。例えば、波形状の変動圧の高い部位で燃料噴射が行われると、噴射量が多くなり、変動圧の低い部位で燃料噴射が行われると、噴射量が少なくなる。このため、従来においては、燃料噴射弁が燃料を噴き出すときのコモンレール圧を読み込み、この噴き出し圧により噴射期間を調整することで同じ噴射量になるように制御している。

しかしながら、同じ噴射量になるように制御しても、噴き出し圧が高い場合は、燃料が非常に小さく細粒化され、燃え易く、きれいに燃焼し、スモークの発生も少なく燃焼効率が良いのに対し、噴き出し圧が低い場合は、燃料があまり細粒化されず、燃え悪く、スモークも発生し易く、燃焼効率が悪い。このため、燃焼が安定せず、エンジンの性能がバラツキ、安定しないという問題がある。なお、燃料供給ポンプ側を制御することも考えられるが、燃料供給ポンプはエンジンに連動しているため、燃料供給ポンプを制御することは難しい。

また、従来技術として、蓄圧容器を低圧側に開放する減圧弁（排出弁）を設け、エンジンの急減速直後の再加速時やシフトアップ直後のように、蓄圧容器内の燃料圧力が目標値に対して過大となる運転条件において、減圧弁を開放することで、噴射率過大になるのを回避して、ディーゼルノックやＮＯ_Xの排出を抑制する蓄圧式燃料噴射装置が、特許文献１により知られている。

特開平１１−１４８４００号公報

しかしながら、この特許文献１による従来技術は、急減速直後の再加速時やシフトアップ直後のような特別な運転状態における異常時に、フエールセーフ的に対応するものであり、減圧弁を常時制御しようとするものではない。そのため、エンジンの燃焼が安定せず、エンジン性能がバラツキ、安定しないという問題は依然として残っている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料噴射弁の噴射量精度を向上させると共に、噴射期間中の噴射圧を平滑化し、安定した燃焼状態及び安定した運転性能を得ることができる蓄圧式燃料噴射制御装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の蓄圧式燃料噴射制御装置を提供する。
請求項１に記載の蓄圧式燃料噴射制御装置は、高圧燃料を蓄圧する蓄圧容器と、この蓄圧容器内の高圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射する燃料噴射弁と、燃料を加圧して蓄圧容器に圧送する燃料供給ポンプの他に、要求噴射量と目標コモンレール圧に基づいて噴射期間が設定され、この噴射期間における蓄圧容器内の燃料の圧力推移状態を推定する圧力パターン推定手段と、この圧力パターン推定手段による圧力パターンデータに基づいて、目標コモンレール圧が設定されており、噴射期間中における圧力パターンデータが目標コモンレール圧を上回る圧力領域を演算する余剰圧領域演算手段と、この余剰圧領域演算手段により演算された余剰圧力領域を取り除くように、コモンレール圧を低圧側に排出制御する減圧弁とを備えるようにしたものであり、これにより、燃料噴射弁による燃料の噴射期間中の噴射圧を平滑化することができ、安定な燃焼状態を得ることができ、運転性能を安定化させることが可能となる。

請求項２の蓄圧式燃料噴射制御装置は、圧力パターン推定手段が、前回における同運転条件下でのコモンレール実圧測定データ、エンジンの回転数、コモンレール実圧、及びアクセル開度等の検出データによって決められた噴射期間及びポンプ吐出量に基づいて、蓄圧容器内の燃料の圧力推移状態を推定することを規定したものである。このようにして、燃料ポンプによるポンプ吐出量と燃料噴射弁の噴射期間、即ち噴射量とによって、蓄圧容器内の圧力パターンを推定する。
請求項３の蓄圧式燃料噴射制御装置は、圧力パターン推定手段による圧力パターンデータの下限値が、目標コモンレール圧よりも常に高くなるようにしたものである。これは、減圧弁の機能がコモンレール圧を下げる方向にしか作用させることができないために、この下限値を目標コモンレール圧以上としている。

請求項４の蓄圧式燃料噴射制御装置は、余剰圧領域演算手段が、燃料供給ポンブの吐出量、燃料噴射弁の噴射量及びリーク量から蓄圧容器内の余剰圧力ΔＰを演算することを規定したものであり、この余剰圧力ΔＰが規定圧力値以上であった場合に、減圧弁を作動させコモンレール圧を下げるようにしている。
請求項５の蓄圧式燃料噴射制御装置は、余剰圧力領域を取り除くように減圧弁の開弁の開始時期及び開弁期間を定めるようにしたものであり、これにより、噴射期間中の噴射圧の平滑化を図ることが可能となる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態の蓄圧式燃料噴射制御装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の全体構成を示した図である。蓄圧式燃料噴射制御装置は、燃料の噴射圧に相当する高圧燃料を蓄圧する蓄圧室を形成する蓄圧容器（コモンレール）１と、このコモンレール１にそれぞれ接続させて、多気筒ディーゼルエンジン等の４気筒エンジンの各気筒に燃料を噴射するための複数個（本例では４個）の燃料噴射弁（インジェクタ）２と、エンジンにより回転駆動される燃料供給ポンプ（サプライポンプ）３と、複数個のインジェクタ２及びサプライポンプ３を電子制御する制御部としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０とを備えている。

コモンレール１内には、連続的に燃料の噴射圧力に相当する高い圧力が蓄圧される必要があり、そのためにコモンレール１に蓄圧される高圧燃料は、高圧流路１１を介してサプライポンプ３から供給されている。各気筒のインジェクタ２は、コモンレール１より分岐する複数の高圧流路１２の下流端に接続されて、エンジンの各気筒への燃料噴射を行う燃料噴射ノズル、この燃料噴射ノズル内に収容されたノズルニードルを開弁方向に駆動する電磁式アクチュエータ、及びノズルニードルを閉弁方向に付勢するスプリング等の付勢手段を有する電磁式燃料噴射弁である。これらのインジェクタ２からエンジンへの燃料の噴射は、燃料噴射ノズルのノズルニードルの背圧を制御する電磁式アクチュエータとしての噴射制御用電磁弁４への通電及び通電停止（ＯＮ／ＯＦＦ）により電子制御される。即ち、各気筒のインジェクタ２の噴射制御用電磁弁４が開弁している間、コモンレール１内に蓄圧された高圧燃料がエンジンの各気筒に噴射供給される。

サプライポンプ３は、エンジンのクランク軸の回転に伴ってポンプ駆動軸が回転することで、燃料タンク５から低圧燃料を汲み上げる周知のフィードポンプ（低圧供給ポンプ：図示せず）と、ポンプ駆動軸により駆動されるプランジャ（本例では３つのプランジャを有する：図示せず）と、このプランジャの往復運動により燃料を加圧する加圧室（図示せず）とを有している。このサプライポンプ３は、フィードポンプにより燃料タンク５からフィルタ６を介して吸入される低圧燃料を高圧に加圧して高圧流路１１を経てコモンレール１へ圧送する高圧供給ポンプである。サプライポンプ３のフィードポンプから加圧室に至る燃料流路には、その燃料流路の開口度合（開度）を調整することで、サプライポンプ３からコモンレール１への燃料の吐出量（圧送量）を変更する電磁式アクチュエータとしての吸入調整型のポンプ電磁弁７が取り付けられている。

ポンプ電磁弁７は、ＥＣＵ１０からのポンプ駆動信号によって電子制御されることにより、サプライポンプ３の加圧室内に吸入される燃料の吸入量を調整する吸入調整弁で、ポンプ吐出量を変更することで、各インジェクタ２からエンジンの各気筒へ噴射される燃料噴射圧に相当するコモンレール圧を制御する。このポンプ電磁弁７は、ＥＣＵ１０からのポンプ駆動信号、つまりＥＣＵ１０から供給される駆動電流が大きくなる程、ポンプ吐出量が増える側（弁開度が大きくなる側）に作動する。なお、ポンプ電磁弁７への駆動電流の制御は、デューティ制御により行うことが望ましい。単位時間当りのポンプ駆動信号のオン／オフの割合（通電時間割合、デューティ比）を調整してポンプ電磁弁７の弁開度を変化させるデューティ制御を用いることで、高精度なデジタル制御が可能になる。

コモンレール１は、燃料タンク５に連通する低圧流路１３への流路１４を開閉する減圧弁８を有しており、これによって、コモンレール１内の圧力を減圧できるようにしている。減圧弁８は、電磁弁であり、その作動の制御も上記ポンプ電磁弁７と同様にデューティ制御によって行われる。この減圧弁８の作動は、本発明の特徴をなすものであり、これについては、後に詳述する。

インジェクタ２からのリーク燃料及びサプライポンプ３からのリーク燃料は、共に低圧流路１５，１６から低圧流路１３を経て燃料タンク５にリターンされる。

ＥＣＵ１０には、制御処理、演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラム及びデータを保存する記憶装置（ＥＥＰＲＯＭ，ＲＡＭ）、入力回路、出力回路、電源回路及びポンプ駆動回路等の機能を含んで構成される周知の構造のマイクロコンピュータが設けられている。そして、各種センサからのセンサ信号は、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換された後にマイクロコンピュータに入力されるように構成されている。

そして、ＥＣＵ１０は、噴射量・噴射時期制御手段を有し、各気筒のインジェクタ２の噴射量制御・噴射時期制御を行うように構成されている。それは、エンジンの運転条件に応じた最適な噴射時期（＝噴射開始時期）、目標（要求）噴射量（＝噴射時間）を算出する噴射量・噴射時期算出手段と、エンジンの運転条件及び目標噴射量に応じた噴射パルス時間（噴射パルス幅ＴＱ）のインジェクタ噴射パルスを算出する噴射パルス幅算出手段と、インジェクタ駆動回路（ＥＤＵ）を介して各気筒のインジェクタ２の噴射制御用電磁弁４にインジェクタ噴射パルスを印加するインジェクタ駆動手段とから構成されている。

即ち、ＥＣＵ１０は、回転速度センサ２１によって検出されたエンジン回転速度（エンジン回転数：Ｎｅ）及びアクセル開度センサ２２によって検出されたアクセル開度等の運転情報、更には冷却水温センサ２３によって検出されたエンジン冷却水温及び燃料温度センサ２４によって検出された燃料温度の補正を加味して目標噴射量を算出し、コモンレール圧センサ２５によって検出されるコモンレール圧（Ｐｃ）及び目標噴射量から算出された噴射パルス幅（ＴＱ）に応じて各気筒のインジェクタ２の噴射制御用電磁弁４にインジェクタ噴射パルスを印加するように構成されている。これにより、エンジンが運転される。

また、ＥＣＵ１０は、本発明の特徴である要求（目標）噴射量と目標コモンレール圧に基づく噴射期間が設定され、この噴射期間におけるコモンレール１内の燃料の加圧推移状態を推定する圧力パターン推定手段と、この圧力パターン推定手段による圧力パターンデータに基づいて目標コモンレール圧が設定されており、噴射期間中における圧力パターンデータが目標コモンレール圧を上回る圧力領域を演算する余剰圧領域演算手段とを備えていて、この圧力領域を取り除くようにコモンレール１の減圧弁８を作動させている。圧力パターン推定手段は、回転速度センサ２１によって検出されたエンジン回転数（Ｎｅ）、コモンレール圧センサ２５によって検出されるコモンレール実圧（Ｐｃ）、アクセル開度センサ２２によって検出されたアクセル開度及び前回における同運転条件下でのコモンレール実圧測定データ等により、インジェクタ２の噴射期間（＝噴射量：ＴＱ）とサプライポンプ３のポンプ吐出量（圧送量）を決定して、これによりコモンレール１内の燃料の圧力推移状態を推定している。また、余剰圧領域演算手段は、ポンプ吐出量と噴射量及びインジェクタリーク量から、以下の式（１）より、
ΔＰ＝｛〔ポンプ吐出量−（噴射量＋インジェクタリーク量）〕／コモンレール体積｝×Ｅ （１）
余剰圧力ΔＰを算出することによって、余剰圧力領域を演算している。ここで、Ｅは燃料体積弾性係数Ｆであり、燃料温度、圧力及び固有定数によって決められている。
このようにして計算された余剰圧力ΔＰが規定圧力値以上であった場合に、減圧弁８を作動して、コモンレール１内の燃料を低圧側に排出し、余剰圧力領域を取り除くようにしている。

また、ＥＣＵ１０は、ポンプ吐出量制御手段を有し、サプライポンプ３の吐出量制御を行うように構成されている。これは、エンジンの運転条件に応じて目標（要求）噴射量を算出する噴射量算出手段と、インジェクタ２の摺動部からリークする燃料の量（インジェクタリーク量）を算出するリーク量算出手段と、目標噴射量及びインジェクタリーク量から目標ポンプ吐出量を算出するポンプ吐出量算出手段と、ポンプ電磁弁７へのポンプ駆動信号（駆動電流、制御指令値）を算出する制御指令値算出手段と、ポンプ電磁弁７にポンプ駆動信号を出力してサプライポンプ３を駆動するポンプ駆動手段とを備えている。

次に上記構成よりなる本実施形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の作動について説明する。図２は、本実施形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の作動フローを示すフローチャートである。まず、ステップＳ１でＥＣＵ１０は、回転速度センサ２１によって検出されたエンジン回転数Ｎｅ、コモンレール圧センサ２５によって検出されたコモンレール実圧Ｐｃ、アクセル開度センサ２２によって検出されたアクセル開度、及び前回における同運転条件下でのコモンレール実圧測定データを取り込む。次いでステップＳ２に進み、ＥＣＵ１０は上記した取り込んだ検出データに基づいて、インジェクタ２の噴射期間ＴＱ（噴射量）とサプライポンプ３のポンプ吐出量を決める。このステップＳ１，Ｓ２の動作が、前記した圧力パターン推定手段によって行われるものである。これによって、コモンレール１内の燃料の圧力推移状態が推定される。

次いで、ステップＳ３に進み、余剰圧領域演算手段により、前記した式（１）を使用し余剰圧力ΔＰを求める。この余剰圧力ΔＰが目標コモンレール圧を上回る余剰圧力領域に相当する。ステップＳ４では、余剰圧力ΔＰが規定圧力値以上であるかどうか（ΔＰ≧規定圧力値）が判断され、規定圧力値以上である場合（ＹＥＳの場合）はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、コモンレール１の減圧弁８を開弁する開始時期（作動タイミング）と開弁期間を決定する。減圧弁８への駆動電流の制御は、デューティ制御により行われる。この場合、コモンレール圧センサ２５によって検出されるコモンレール実圧と目標コモンレール圧との差を計測し、減圧弁８のデューティ制御にフィードバックする。

ステップＳ６では、減圧弁８に遅れて作動するインジェクタ２の噴射中の圧力をコモンレール圧センサ２５によって計測する。次いで、ステップＳ７では、コモンレール圧センサ２５によって計測された噴射中の圧力（コモンレール実圧）と、目標コモンレール圧との差が規定値内に収まっているかどうかが判断され、規定値内に収まっている場合（ＹＥＳの場合）は、本ルーチンを終了する。

なお、ステップＳ４において、余剰圧力ΔＰが規定圧力値よりも下回っている場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ８に進み、サプライポンプ３のポンプ吐出量の増量を図る。その後、ルーチンはステップＳ１に戻る。また、ステップＳ７において、噴射中の圧力（計測圧）と目標コモンレール圧との差が規定値内に収まっていない場合（ＮＯの場合）は、ステップＳ９に進み、噴射中の計測圧が目標コモンレール圧よりも高い（正圧）の場合は、減圧弁８の作動タイミングを早める。計測圧が目標コモンレール圧よりも低い（負圧）の場合は、サプライポンプ３のポンプ吐出量の増量を図る。その後、学習機能を高めるために、ルーチンはステップＳ１に戻る。

次に本実施形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の作用効果について説明する。図３は、（ａ）従来技術と（ｂ）本実施形態との作用を比較説明する図である。図３（ａ）は、上から順にエンジンの気筒番号、クランク位置、ポンプ作動、噴射率、コモンレール圧変動パターンを示している。エンジンは４気筒で、サプライポンプ３は３つのプランジャを有している。エンジンにより駆動されるサプライポンプ３は、３つのプランジャによって位相差を設けてコモンレール１に燃料を吐出する。このサプライポンプ３の燃料の脈動によって、コモンレール１内の圧力は波形状に変動している。そしてインジェクタ２による燃料の噴射が周期的に所定の噴射期間で繰り返えされると、インジェクタ２からの噴射量（噴射率）に相当する分だけ、コモンレール１内の圧力が下がる。したがって、図３（ａ）に示すように波形を部分的に欠いたようなコモンレール圧変動パターンが形成される。このため、点線の長円で囲んだ域内に示されるように噴射期間中のコモンレール圧の圧力変化が大きく、安定した燃焼が得られない。

そこで、本実施形態では、コモンレール１に設けた減圧弁８を前記した余剰圧力領域を取り除くように作動させている。図３（ｂ）は、上から順に減圧弁８の作動、噴射率、減圧弁８のデューティ制御、コモンレール圧変動パターン及び目標コモンレール圧を示している。減圧弁８の開弁の開始時期は、コモンレール圧変動パターンにおいてコモンレール圧が略中間にまで立ち上がった部位、例えば目標コモンレール圧よりも略５MPa程上昇した時点、で作動を開始するようにしている。そして、減圧弁８は、コモンレール圧変動パターンの最下限位置の直前で作動を停止するようにする。この作動期間の減圧弁８の作動は、デューティ制御によって行われ、コモンレール圧センサ２５によって検出されるコモンレール実圧と目標コモンレール圧との差を計測し、減圧弁８のデューティ制御にフィードバックしている。

インジェクタ２による燃料の噴射は、減圧弁８の作動開始よりも遅れて作動が開始され、減圧弁８の作動終了と同時に噴射も終了する。このように、減圧弁８を、燃料噴射の直前及び噴射中において作動させることで、通常は、細い実線で示されるコモンレール圧変動パターンが、本実施形態では、太い実線で示されるコモンレール圧に変えることができる。これにより、図３（ｂ）にハッチングで示される分の余剰圧力領域を取り除くことができる。特に、燃料の噴射期間中のコモンレール圧を平滑化することができ、燃焼を安定化させることができ、エンジンの性能も安定化する。また、燃焼状態も良好となり、燃費効率が向上し、かつスモーク等の発生も防止できる。

なお、図３（ｂ）に点線で示す目標コモンレール圧は、その運転状態で最も良い燃焼状態が得られるように設定されるものであり、コモンレール圧変動パターンの下限値が常に目標コモンレール圧以上となるように、サプライポンプ３のポンプ吐出量が設定される。これは、コモンレール圧を上げるように制御する制御手段を有していないために、コモンレール圧変動パターンの圧力値が目標コモンレール圧より下にならないようにすることが必要となるためである。

本発明の実施の形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の全体構成を説明する図である。 本発明の実施の形態の蓄圧式燃料噴射制御装置の作動フローを示すフローチャートである。 従来技術（ａ）と本発明（ｂ）との作用を比較説明する図である。

符号の説明

１ コモンレール（蓄圧容器）
２ インジェクタ（燃料噴射弁）
３ サプライポンプ（燃料供給ポンプ）
４ 噴射制御用電磁弁
５ 燃料タンク
６ フィルタ
７ ポンプ電磁弁
８ 減圧弁
１０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２５ コモンレール圧センサ

Claims (5)

1. 高圧燃料を蓄圧する蓄圧容器と、
   前記蓄圧容器内の高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する燃料噴射弁と、
   吸入した燃料を加圧して前記蓄圧容器に圧送する燃料供給ポンプと、
   を備えていて、前記燃料供給ポンプより燃料を目標コモンレール圧となるように前記蓄圧容器内に吐出調整し、前記燃料噴射弁より気筒内に燃料を噴射させる蓄圧式燃料噴射制御装置において、
   要求噴射量と目標コモンレール圧に基づいて噴射期間が設定され、前記噴射期間における前記蓄圧容器内の燃料の圧力推移状態を推定する圧力パターン推定手段と、
   前記圧力パターン推定手段による圧力パターンデータに基づいて、前記目標コモンレール圧が設定されており、前記噴射期間中における前記圧力パターンデータが前記目標コモンレール圧を上回る圧力領域を演算する余剰圧領域演算手段と、
   前記余剰圧領域演算手段により演算された余剰圧力領域を取り除くように、コモンレール圧を低圧側に排出制御する減圧弁と、
   を具備していることを特徴とする蓄圧式燃料噴射制御装置。
2. 前記圧力パターン推定手段は、前回における同運転条件下でのコモンレール実圧測定データ、及びエンジン回転数、コモンレール実圧、アクセル開度等の検出データによって決められる噴射期間及びポンプ吐出量に基づいて、前記蓄圧容器内の燃料の圧力推移状態を推定することを特徴とする請求項１に記載の蓄圧式燃料噴射制御装置。
3. 前記圧力パターン推定手段による圧力パターンデータの下限値が、前記目標コモンレール圧以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄圧式燃料噴射制御装置。
4. 前記余剰圧領域演算手段は、前記燃料供給ポンプの吐出量、前記燃料噴射弁の噴射量及びリーク量から前記蓄圧容器内の余剰圧力ΔＰを演算することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
5. 前記余剰圧力領域を取り除くように前記減圧弁の開弁の開始時期及び開弁期間が定められることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。

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