JP2008057462A - コモンレール式燃料噴射装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン運転中におけるパイロット噴射がメイン噴射に及ぼす悪影響を回避しつつ、パイロット噴射による排気清浄効果等が最大限に発揮されるようにした、コモンレール式燃料噴射装置の制御方法を提供する。
【解決手段】多段噴射を行うコモンレール式燃料噴射装置１００において、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐと、クランク角度ベースのメイン噴射時期θｍとを、ＥＣＵ７０により制御するコモンレール式燃料噴射装置１００の制御方法であって、ＥＣＵ７０により時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを演算し、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが、予め設定した閾値（本実施例では、１（ｍｓ））未満であれば、メイン噴射時期θｍを調整する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに適用されるコモンレール式燃料噴射装置の技術に関し、詳しくは、多段噴射制御を行う場合におけるメイン噴射時期の制御方法に関する。

従来より、ディーゼルエンジンにおける排気ガス清浄化の有効な手段として、コモンレール式燃料噴射装置を採用し、プレ噴射・パイロット噴射・メイン噴射・アフター噴射およびポスト噴射等の複数回噴射を行う多段噴射制御により、排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）やＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させる技術が公知となっており広く用いられている。
しかし、多段噴射制御を行う場合に、パイロット噴射の終了に伴って生じる燃料の圧力変動により、メイン噴射の燃料噴射率が変動し、エンジン回転数が不安定になることが知られており、特にエンジン回転数が低いアイドリング状態では、燃料噴射率がわずかに変動してもエンジン回転数が敏感に変動し、エンジン回転数の安定性が損なわれるという問題があった。
そこで、この問題を解決するために、エンジンのアイドリング運転状態に応答して、パイロット噴射の終了時からメイン噴射の開始時までの期間が一定になるように、メイン噴射の開始時を基準として、パイロット噴射の噴射条件を制御する技術が、特許文献１に開示されており、公知となっている。
特開平１０−２０５３８３号公報

しかしながら、パイロット噴射の終了に伴って生じる燃料の圧力変動は、アイドリング運転状態に限らず、エンジン運転中には常に生じている問題である。エンジン運転中におけるこの問題へのこれまでの対処法としては、パイロット噴射とメイン噴射との噴射間隔を長めに設定し、パイロット噴射による燃料の圧力変動がメイン噴射に影響を及ぼさないようにしていた。このため、パイロット噴射による排気ガス清浄化等の効果が最も効果的に発揮される領域での使用が困難となっていた。
そこで本発明では、このような状況を鑑み、エンジン運転中におけるパイロット噴射がメイン噴射に及ぼす悪影響を回避しつつ、パイロット噴射による排気清浄効果等が最大限に発揮されるようにした、コモンレール式燃料噴射装置の制御方法を提供することを課題としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、多段噴射を行うコモンレール式燃料噴射装置において、クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、クランク角度ベースのメイン噴射時期とを、コントローラにより制御するコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、前記コントローラにより時間ベースのパイロット噴射間隔を演算し、該パイロット噴射間隔が、予め設定した閾値未満であれば、前記時間ベースのパイロット噴射間隔を確保するように、前記クランク角度ベースのメイン噴射時期を調整すること、を特徴としたものである。

請求項２においては、前記時間ベースのパイロット噴射間隔が、前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、前記クランク角度ベースのメイン噴射時期と、演算時刻におけるエンジン回転数とに基づき、前記コントローラにより演算して出力されること、を特徴としたものである。

請求項３においては、前記メイン噴射時期を、前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、パイロット噴射時間と、前記時間ベースのパイロット噴射間隔とに基づき、前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期を基準として、前記パイロット噴射時間と、前記時間ベースのパイロット噴射間隔とを合わせた時間だけ遅らせるように調整した時間ベースの調整メイン噴射時期を採用すること、を特徴としたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、パイロット噴射間隔によりメイン噴射量が影響を受ける領域において、エンジン回転数の変動によるパイロット噴射間隔の変動を防止することができる。

請求項２においては、演算時刻におけるエンジン回転数を制御要素として用いることにより、パイロット噴射間隔を時間ベースによる制御とする領域を少なくすることができる。
また、急加減速時においても、パイロット噴射間隔の判断を適切に行うことができる。

請求項３においては、メイン噴射時期を修正することにより、パイロット噴射間隔を適切に維持することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係るコモンレール式燃料噴射装置の全体的な構成を示した概略模式図、図２は同じくインジェクタの全体的な構成を示した概略模式図、図３はパイロット噴射間隔とメイン噴射量の関係を示した図である。図４はパイロット噴射とメイン噴射の関係を示した図、図５は角度ベースと時間ベースの各噴射時期を対比して示した図、図６は同じくＴｐｉｎ≧１（ｍｓ）である場合を示した図、図７は同じくＴｐｉｎ＜１（ｍｓ）である場合を示した図、図８はメイン噴射時期の演算フローを示す図である。

まず始めに、本発明の実施例に係るディーゼルエンジンに備えられるコモンレール式燃料噴射装置の構成について、図１または図２を用いて説明をする。
図１に示す如く、コモンレール式燃料噴射装置１００は、主に燃料を各機関に噴射する複数のインジェクタ５０と、高圧燃料を蓄圧し各インジェクタ５０に分配するコモンレール４０から構成されている。

インジェクタ５０は、多気筒であれば各気筒にそれぞれ設けられる電子制御型の燃料噴射装置であり、高圧配管４５を介してコモンレール４０に接続されている。
コモンレール４０は、低圧ポンプ２０及び高圧ポンプ３０を介して燃料タンク１０に接続され、かつ、圧力調整弁８０を介して燃料タンク１０に接続されている。
このような構成によって、燃料は、燃料タンク１０から低圧ポンプ２０及び高圧ポンプ３０によりコモンレール４０に圧送され、コモンレール４０にて高圧ポンプ３０に設けられた吐出量制御弁と圧力調整弁８０により所定圧力にて蓄圧され、各インジェクタ５０に分配され各気筒に噴射される。

ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）７０は、各センサからの入力信号並びに内部記憶プログラム及びマップデータ等に基づいて、インジェクタ５０に対する出力信号を発信し、該インジェクタ５０の燃料噴射作動等の制御を行うようにしている。
また、ＥＣＵ７０はインジェクタ５０を動作する電磁弁６０とも接続されており、該電磁弁６０のОＮ・ОＦＦを制御しつつ、圧力調整弁８０とも接続されており、該圧力調整弁８０のОＮ・ОＦＦを制御している。

さらに、ＥＣＵ７０は、コモンレール４０内の圧力を検知する圧力センサ７１、ディーゼルエンジンの回転数を検知する回転数センサ７２、ディーゼルエンジンの負荷を検知する負荷センサ７３等とも接続されており、ディーゼルエンジン各部の運転状態やコモンレール４０内の圧力を検知可能に構成されている。
ここで、各センサについての説明は省略するが、回転数センサ７２としてはクランク軸の所定回転角度に応じたパルス信号を発生する角度センサが、負荷センサ７３としてはアクセルペダルの踏み込み量を検知するセンサ等が公知である。

次に、インジェクタ５０の構造・作用について、図２を用いて詳細に説明をする。
図２に示す如く、コマンドピストン５１は、インジェクタボディ５０ａ内に上下摺動自在に設けられている。コマンドピストン５１は、制御室５２内の燃料圧力により下方へ付勢される。制御室５２へは、コモンレール４０から燃料供給路５４に供給された高圧燃料がオリフィス５５を介して供給される。
また、前記制御室５２の上方には、電磁弁６０が設けられている。電磁弁６０においては、ソレノイド６１が通電されることより、弁体６２がスプリング６３の付勢力に抗して上方に吸引される構成としている。この電磁弁６０の開閉の制御は、前記コントローラ７０により行われる。制御室５２内の燃料圧力は電磁弁６０が開かれることによりオリフィス６５を介して低圧側配管４６へ排出され、前記コマンドピストン５１の下方への付勢力が弱まるようになっている。

ニードル弁５６は、コマンドピストン５１の下方に上下摺動自在に設けられている。ニードル弁５６の上部にはコマンドピストン５１の下端が当接されている。また、ニードル弁５６の摺動部にはノズル室５８が設けられている。ノズル室５８へは、コモンレール４０から燃料供給路５４に供給された高圧燃料が供給される。さらに、ニードル弁５６の上方のバルブケース内には止め輪５９が設けられており、ニードル弁５６と止め輪５９の間にはスプリング５３が挟装されてニードル弁５６を下方に付勢している。

制御室５２内の燃料圧力が高く、コマンドピストン５１と前記スプリング５３の合計の下方への付勢力が、ノズル室５８内の燃料圧力によるニードル弁５６を上方に付勢する力より大きい状態では、ニードル弁５６は下方へ移動して噴口５７・５７が閉じられる。一方、ソレノイド６１が通電されることによって、コマンドピストン５１によるニードル弁５６の下方への付勢力とスプリング５３の付勢力の合計よりも、ノズル室５８内の燃料圧力によるニードル弁５６を上昇させる力が大きくなることで、噴口５７・５７が開弁されることとなっている。

以上の構成により、ＥＣＵ７０の制御により電磁弁６０（弁体６２）が開かれると、制御室５２内の高圧燃料は、弁室６４を介して、低圧側配管４６に排出され、制御室５２の圧力が下がる。同時に、コマンドピストン５１の下方の付勢力が低下することにより、ニードル弁５６は、ノズル室５８内の燃料の圧力（開弁圧力）によりリフトされる。これにより、噴口５７・５７が開かれて燃料噴射を行う。
また、ＥＣＵ７０の制御により電磁弁６０（弁体６２）が閉じられると、制御室５２内に高圧燃料の圧力が蓄圧され、該圧力によってコマンドピストン５１が下降される。このようにして、ニードル弁５６が下方へ移動して噴口５７・５７が閉じられて燃料噴射が終了される。
以上が、本発明の実施例に係るディーゼルエンジンに備えられるコモンレール式燃料装置の構成についての説明である。

次に、本発明の実施例に係る多段噴射の制御方法について、図３乃至図８を用いて説明をする。
図３に示す如く、従来より多段噴射制御を行う場合には、パイロット噴射とメイン噴射との間隔を短縮した場合、パイロット噴射との間隔が一定の時間間隔以下にまで短縮されるとメイン噴射時の噴射量に影響を及ぼすことが確認されていた。これは、パイロット噴射後にノズル内の圧力降下が落ち着くまでには一定時間を要するため、圧力降下が落ち着く前にメイン噴射が行われる場合には、その圧力降下の影響を受けてしまうために起こる現象である。そのため、使用（設定）可能なパイロット噴射間隔の領域が限定されて、ある一定の時間間隔以下にはパイロット噴射間隔を短縮することができなかった。
そこで、本発明では、従来は使用（設定）不可能であったパイロット噴射間隔の領域においても、安定した噴射を実現できるように制御している。
まず以下に、本発明に係る制御方法について、具体的なメイン噴射時期の演算フローを示しながら説明をする。

図８に示す如く、ＥＣＵ７０には、回転数センサ７２や負荷センサ７３が接続されており、これらのセンサからエンジン回転数Ｎｅの信号やその他の信号をＥＣＵ７０に入力して、その値を元にエンジンの運転（負荷）状況を把握できるように構成している（Ｓｔｅｐ−１）。
そして、把握した運転（負荷）状況（エンジン回転数Ｎｅ等）とＥＣＵ７０に予め記憶されているマップ情報に基づいて、現在の運転状況に適合したパイロット噴射時期θｐおよびメイン噴射時期θｍを導出する（Ｓｔｅｐ−２）。

このとき、パイロット噴射時期θｐとメイン噴射時期θｍの関係は、図４の如く表される。
つまり、パイロット噴射時期θｐおよびメイン噴射時期θｍは、基準時期θ０からのクランク角度ベースの（即ち、単位をラジアンとする）時期として与えられている。
また、図４に示す如く、パイロット噴射間隔θｐｉｎは、パイロット噴射完了時からメイン噴射開始時（すなわち、メイン噴射時期θｍ）までの間隔（クランク角度の位相差）を意味している。
尚、基準時期θ０は、制御対象の噴射よりも一回前の噴射におけるＴＤＣ等を採用することができる。

次に、図８に示す如く、エンジン回転数Ｎｅを平均化処理して平均エンジン回転数Ｎｅｍを導出し、エンジン回転数として平均エンジン回転数Ｎｅｍを採用することにより、微小なエンジンの回転変動による影響を除去するようにしている（Ｓｔｅｐ−３）。
これにより、後述する時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎをエンジン回転数に依らず略一定に保てるようにしている。
具体的には、後述する時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎの閾値（本実施例では、１（ｍｓ））に対して１０倍以上の時間でエンジン回転数Ｎｅを平均化して平均エンジン回転数Ｎｅｍを導出するようにしている。また、平均化処理を行う替わりに同等の時定数を有するフィルターを用いる構成としてもよい。

次に、図８に示す如く、クランク角度ベースのパイロット噴射間隔θｐｉｎを、次式に基づいて、時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎに換算する（Ｓｔｅｐ−４）。
Ｔｐｉｎ＝（θｐ−θｍ）＊１０００／（６＊Ｎｅｍ）

このとき、パイロット噴射時期θｐ、メイン噴射時期θｍおよびパイロット噴射間隔θｐｉｎと、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎ、パイロット噴射時間Ｑｐおよびメイン噴射時間Ｑｍとの関係は、図５の如く表される。

次に、図８に示す如く、数式１により求めたパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎに基づく判定を行うようにしている（Ｓｔｅｐ−５）。
つまり、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値（本実施例では、１（ｍｓ））以上であれば、メイン噴射時期θｍをそのままメイン噴射時期として採用し、クランクパルスより得られるクランク角度に同期して、メイン噴射時期θｍにてメイン噴射が開始されるようにしている（Ｓｔｅｐ−８）。

このとき、パイロット噴射時期θｐ、メイン噴射時期θｍおよびパイロット噴射間隔θｐｉｎと、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎおよびパイロット噴射時間Ｑｐとの関係は、図６の如く表される。

また、図８に示す如く、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値（本実施例では、１（ｍｓ））未満であれば、メイン噴射時期θｍを、パイロット噴射時期θｐを基準として、パイロット噴射時間Ｑｐとパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを合わせた修正時間Ｔｒ（ｍｓ）を算出し（Ｓｔｅｐ−６）、該修正時間Ｔｒだけ遅らせた時期（すなわち、修正メイン噴射時期Ｔｍ２）としている。なお、修正時間Ｔｒは次式により求められる。
Ｔｒ＝Ｑｐ＋Ｔｐｉｎ

そしてこの場合（即ち、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値未満である場合）には、メイン噴射時期として、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐを基準として、エンジン回転数に依らず、θｐからＴｒ（ｍｓ）経過後の修正メイン噴射時期Ｔｍ２を採用している（Ｓｔｅｐ−７）。

このとき、パイロット噴射時期θｐ、メイン噴射時期θｍ、修正時間Ｔｒ、修正メイン噴射時期Ｔｍ２、メイン噴射時期θｍ、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎおよびパイロット噴射時間Ｑｐとの関係は、図７の如く表される。

図８に示す如く、以上で一連の制御動作が完了し、さらに次回の制御へと移行する。これにより、連続的にパイロット噴射間隔の制御が行われるようにしている。
尚、本実施例においては、閾値を１（ｍｓ）としているが、これに限定するものではない。

つまり、図７に示す如く、時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値未満である場合には、メイン噴射時期としてパイロット噴射時期θｐを基準として、パイロット噴射時間Ｑｐと時間換算したパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを合わせた時間Ｔｒ（ｍｓ）だけ遅らせることで、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎをエンジン回転数によらず一定となるように制御している。
このとき、角度ベースのパイロット噴射間隔θｐから時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎに換算する際に用いるエンジン回転数Ｎｅには、平均化処理またはフィルター処理し、有害となる微小回転変動を除去した平均エンジン回転数Ｎｅｍを採用することで、エンジン回転数によらずパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを一定とすることができる。

これにより、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値以上の場合には、メイン噴射時期θｍはクランク角度に同期し、適切にエンジン制御が可能であり、また、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが閾値未満の場合でも、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎをエンジン回転数の変動に左右されること無く適切に維持されるため、エンジン回転数の安定性を確保することができる。

尚、実際の制御動作においては、パイロット噴射およびメイン噴射の各制御は、ソレノイド６１に対するパルス電流の通電時期と通電時間を可変制御することにより行われている。
つまり、ＥＣＵ７０に記憶されているマップ情報に基づいてパイロット噴射時期θｐおよびパイロット噴射時間Ｑｐが導出されて、このパイロット噴射時期θｐに同期したタイミングで、かつ、パイロット噴射時間Ｑｐに対応した時間だけソレノイド６１に対してパルス電流が通電される。
また同様に、ＥＣＵ７０に記憶されているマップ情報に基づいてメイン噴射時期θｍおよびメイン噴射時間Ｑｍが導出されて、このメイン噴射時期θｍに同期したタイミングで、かつ、メイン噴射時間Ｑｍに対応した時間だけソレノイド６１に対してパルス電流が通電される。
そして、パイロットおよびメインの各噴射はパルス電流のＯＮ−ＯＦＦに対して、一定の応答遅れを経て噴射が開始される。
以上が、本発明の実施例に係る多段噴射の制御方法についての説明である。

以上の説明に示す如く、多段噴射を行うコモンレール式燃料噴射装置１００において、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐと、クランク角度ベースのメイン噴射時期とθｍを、ＥＣＵ７０により制御するコモンレール式燃料噴射装置１００の制御方法であって、ＥＣＵ７０により時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを演算し、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが、予め設定した閾値（本実施例では、１（ｍｓ））未満であれば、前記時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを確保するように、修正メイン噴射時期Ｔｍ２を採用するようにしている。
即ち、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎによりメイン噴射量が影響を受ける領域において、エンジン回転数の変動によるパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎの変動を防止することができるのである。

また、時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎが、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐと、クランク角度ベースのメイン噴射時期θｍと、演算時刻におけるエンジン回転数Ｎｅとに基づき、ＥＣＵ７０により演算して出力されるようにしている。
即ち、演算時刻におけるエンジン回転数を制御要素として用いることにより、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを時間ベースによる制御とする領域を少なくすることができるのである。
また、急加減速時においても、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎの判断を適切に行うことができるのである。

また、修正メイン噴射時期Ｔｍ２が、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐと、パイロット噴射時間Ｑｐと、時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎとに基づき、クランク角度ベースのパイロット噴射時期θｐを基準として、パイロット噴射時間Ｑｐと時間ベースのパイロット噴射間隔Ｔｐｉｎに時間Ｔｒ（ｍｓ）だけ遅らせた時期となるようにしている。
即ち、メイン噴射時期θｍを修正することにより、パイロット噴射間隔Ｔｐｉｎを適切に維持することができるのである。

本発明の一実施例に係るコモンレール式燃料噴射装置の全体的な構成を示した概略模式図。 同じくインジェクタの全体的な構成を示した概略模式図。 パイロット噴射間隔とメイン噴射量の関係を示した図。 パイロット噴射とメイン噴射の関係を示した図。 角度ベースと時間ベースの各噴射時期を対比して示した図。 同じくＴｐｉｎ≧１（ｍｓ）である場合を示した図。 同じくＴｐｉｎ＜１（ｍｓ）である場合を示した図。 メイン噴射時期の演算フローを示す図。

符号の説明

７０ ＥＣＵ
１００ コモンレール式燃料噴射装置
θｐ パイロット噴射時期（クランク角度ベース）
θｍ メイン噴射時期（クランク角度ベース）
θｐｉｎ パイロット噴射間隔（クランク角度ベース）
Ｔｐｉｎ パイロット噴射間隔（時間ベース）
Ｑｐ パイロット噴射時間
Ｑｍ メイン噴射時間

Claims (3)

1. 多段噴射を行うコモンレール式燃料噴射装置において、
   クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、
   クランク角度ベースのメイン噴射時期とを、
   コントローラにより制御するコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
   前記コントローラにより時間ベースのパイロット噴射間隔を演算し、
   該パイロット噴射間隔が、
   予め設定した閾値未満であれば、
   前記時間ベースのパイロット噴射間隔を確保するように、
   前記クランク角度ベースのメイン噴射時期を調整すること、
   を特徴とするコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
2. 前記時間ベースのパイロット噴射間隔が、
   前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、
   前記クランク角度ベースのメイン噴射時期と、
   演算時刻におけるエンジン回転数とに基づき、
   前記コントローラにより演算して出力されること、
   を特徴とする請求項１記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
3. 前記メイン噴射時期を、
   前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期と、
   パイロット噴射時間と、
   前記時間ベースのパイロット噴射間隔とに基づき、
   前記クランク角度ベースのパイロット噴射時期を基準として、
   前記パイロット噴射時間と、
   前記時間ベースのパイロット噴射間隔とを合わせた時間だけ遅らせるように調整した時間ベースの調整メイン噴射時期を採用すること、
   を特徴とする請求項１記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。

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