JP2008231919A

JP2008231919A - 内燃機関用燃料噴射装置

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Publication number: JP2008231919A
Application number: JP2007068035A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sugiura; 真一杉浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: DE102008000681B4; DE102008000681A1; JP4613920B2

Abstract

【課題】高圧燃料の温度や圧力の変化によりリーク量が変化しても、レール圧のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制する。
【解決手段】高圧ポンプ５２の燃料圧送量を調整する調整弁５３の作動を電子制御装置によりフィードバック制御して、蓄圧器１内の高圧燃料の圧力（レール圧）を目標圧に制御する内燃機関用燃料噴射装置であって、高圧燃料の温度や圧力が高くなるのに伴ってフィードバック制御のゲインを大きくする。このようにすれば、高圧燃料の温度や圧力が変化しても蓄圧器内燃料圧力の変化速度を略一定にすることができ、レール圧のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧燃料を蓄えるための蓄圧器を備える内燃機関用燃料噴射装置に関する。

従来の内燃機関用燃料噴射装置は、吸入した燃料を加圧して高圧燃料を蓄圧器へ圧送する高圧ポンプや、この高圧ポンプの燃料圧送量を調整する調整弁等からなる燃料ポンプを備えている。そして、この燃料ポンプから蓄圧器への燃料圧送量を制御して蓄圧器内の燃料圧力を目標圧に制御するようにしている。その際、燃料ポンプの操作量を所定のゲインに基づいて設定することにより、目標燃料圧の変化に対して蓄圧器内燃料圧力が応答よく追従するようにしている。

このゲインは、例えば機関回転数や圧力偏差毎に設定される。また、燃料ポンプにより圧送される燃料の圧力や温度等が変化すると、蓄圧器内燃料圧力の変化量が変わるため、それを予め打ち消すために体積弾性係数によりゲインを補正するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２３４５４３号公報

ここで、高圧燃料噴射系では、インジェクタの動リーク、静リーク、さらには燃料ポンプの内部リークがある。これらのリーク量は、燃料温度、燃料圧力、機関回転数によって変化する。そして、このリークの影響によって、燃料ポンプの所定の操作量に対する蓄圧器内燃料圧力の変化速度が異なったものとなり、上記した従来装置では、燃料温度や燃料圧力が高い領域ではリーク量が多くなるため、蓄圧器内燃料圧力の変化速度が小さくなって蓄圧器内燃料圧力の制御応答性が低下し、一方、燃料温度や燃料圧力が低い領域ではリーク量が少なくなるため、蓄圧器内燃料圧力の変化速度が大きくなって蓄圧器内燃料圧力がオーバーシュートを起こし易くなるという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、リークの影響による蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することを目的とする。

本発明は、高圧ポンプ（５２）の燃料圧送量を調整する調整弁（５３）の作動を圧力制御手段（３）によりフィードバック制御して、蓄圧器（１）内の高圧燃料の圧力を目標圧に制御する内燃機関用燃料噴射装置であって、圧力制御手段（３）は、高圧燃料の温度および圧力のうち少なくとも一方が高くなるのに伴って、フィードバック制御のゲインを大きくすることを特徴とする。

このようにすれば、高圧燃料の温度や圧力が変化しても蓄圧器内燃料圧力の変化速度を略一定にすることができるため、蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することができる。

この場合、圧力制御手段（３）は、ＰＩD制御によるフィードバック制御を実行するものであり、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って、比例項のゲインおよび積分項のゲインを大きくすれば、高圧燃料の圧力が変化しても蓄圧器内燃料圧力の変化速度を略一定にすることができるため、蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することができる。

また、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って、比例項のゲインおよび積分項のゲインを二次曲線的に大きくすれば、高圧燃料の圧力が変化しても蓄圧器内燃料圧力の変化速度を精度よく略一定にすることができるため、蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートや制御応答性の低下を確実に防止ないしは抑制することができる。

また、圧力制御手段（３）は、ＰＩD制御によるフィードバック制御を実行するものであり、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って、比例項のゲインおよび積分項のゲインを大きくすれば、高圧燃料の温度が変化しても蓄圧器内燃料圧力の変化速度を略一定にすることができるため、蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することができる。

また、高圧燃料の温度が設定温度以下の領域では、高圧燃料の温度が低くなるのに伴って比例項のゲインを小さくすれば、高圧燃料の温度が低いときには蓄圧器内燃料圧力の変化速度が小さくなるため、蓄圧器内燃料圧力のオーバーシュートを確実に防止ないしは抑制することができる。

また、高圧燃料の温度が設定温度を超える領域では、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って積分項のゲインを大きくすれば、高圧燃料の温度が高いときの定常偏差が小さくなり、レール圧を目標レール圧に正確に制御することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係る内燃機関用燃料噴射装置の全体構成を示す図である。

図１に示すように、燃料噴射装置は、高圧燃料が蓄えられる蓄圧器１を備えている。蓄圧器１には複数のインジェクタ２が接続され、インジェクタ２は、電子制御装置（以下、ＥＣＵという）３に制御されて所定の時期に所定の期間開弁して、蓄圧器１に蓄えられた高圧燃料を内燃機関（より詳細には、ディーゼルエンジン。図示せず）の各気筒内に噴射する。

インジェクタ２は、具体的には、その内部に形成された背圧室の燃料圧力が制御されることにより開弁・閉弁が制御されるようになっている。そして、インジェクタ２には噴射系リーク配管Ｌ１が接続されており、インジェクタ２の余剰燃料や背圧室から排出された燃料は、噴射系リーク配管Ｌ１および共通リーク配管Ｌ２を介して燃料タンク４に戻される。

燃料ポンプ５は、燃料タンク４から燃料を吸入し、吸入した燃料を高圧に加圧して蓄圧器１に圧送する。この燃料ポンプ５は、燃料タンク４から燃料を吸い上げるフィードポンプ５１と、フィードポンプ５１から送られた燃料をプランジャ（図示せず）の往復動に基づいて加圧して蓄圧器１に圧送する高圧ポンプ５２と、フィードポンプ５１から高圧ポンプ５２に至る燃料通路の開口面積を調整する調整弁５３とを備えている。

フィードポンプ５１および高圧ポンプ５２は、内燃機関によって駆動され、機関回転数に比例した回転数で駆動される。調整弁５３は、電磁弁にて構成され、ＥＣＵ３によって制御される。より詳細には、調整弁５３は、コイル（図示せず）に供給される電流の大きさに応じて弁体（図示せず）の位置が連続的に変化して、燃料通路の開口面積を連続的に調整可能になっている。そして、調整弁５３により燃料通路の開口面積が変更されることにより、高圧ポンプ５２の燃料吸入量が調整され、ひいては燃料圧送量が調整される。

燃料ポンプ５にはポンプ系リーク配管Ｌ３が接続されており、高圧ポンプ５２から排出された燃料は、ポンプ系リーク配管Ｌ３および共通リーク配管Ｌ２を介して燃料タンク４に戻される。

蓄圧器１には、蓄圧器１内の燃料圧力（以下、レール圧という）を検出する圧力センサ６１、蓄圧器１内の燃料温度を検出する温度センサ６２が設けられている。また、内燃機関には、機関回転数を検出する回転数センサ６３が設けられている。

ＥＣＵ３は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。ＥＣＵ３には、圧力センサ６１、温度センサ６２、および回転数センサ６３からの信号が入力されるとともに、図示しない各種センサからアクセル開度等の種々の情報が随時入力される。

そして、ＥＣＵ３は、内燃機関や車両の運転状態に応じた最適の噴射時期、噴射量（噴射期間）を算出して、各インジェクタ２の開弁時期および開弁期間を制御する。

また、ＥＣＵ３は、調整弁５３を制御して高圧ポンプ５２に吸入される燃料量を調整し、これにより高圧ポンプ５２の燃料圧送量を調整して、レール圧を目標圧に一致させるように制御する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ３は調整弁５３の作動をＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。

次に、圧力制御手段としてのＥＣＵ３によって実行されるレール圧の制御について説明する。図２は、レール圧を目標圧（以下、目標レール圧という）に一致させるための手順を示したフローチャートである。ＥＣＵ３はこの処理ルーチンを内燃機関の所定のクランク角毎の割込処理として実行する。

まず、燃料噴射量および回転数センサ６３にて検出した機関回転数ＮＥ等に基づいて、目標レール圧を算出する（ステップＳ１００）。この燃料噴射量および機関回転数ＮＥと目標レール圧との関係は関数データとしてＥＣＵ３のメモリに記憶されている。ＥＣＵ３はこの関数データを参照して目標レール圧を算出する。なお、燃料噴射量は、本ルーチンとは別のルーチンにおいてアクセルペダルの踏み込み量および機関回転数ＮＥに基づいて算出され、ＥＣＵ３のメモリに記憶されている値である。

続いて、圧力センサ６１にて現在のレール圧を検出し（ステップＳ１０１）、目標レール圧と現在のレール圧との差ΔＰ（以下、圧力偏差という）を求める（ステップＳ１０２）。

続いて、ステップＳ１０２で求めた圧力偏差ΔＰおよび機関回転数ＮＥに基づいて、ＰＩＤ制御式における基本となる比例項ゲインＭＫＰ、積分項ゲインＭＫＩ、微分項ゲインＭＫＤを算出する（ステップＳ１０３）。この圧力偏差ΔＰおよび機関回転数ＮＥと各ゲインＭＫＰ、ＭＫＩ、ＭＫＤとの関係は予め実験により求められ、関数データとしてＥＣＵ３のメモリに記憶されており、ＥＣＵ３はこの関数データを参照して各ゲインＭＫＰ、ＭＫＩ、ＭＫＤを算出する。

続いて、機関回転数ＮＥが所定値（例えば１０００ｒｐｍ）以上の場合、すなわちステップＳ１０４がＹＥＳの場合は、ステップＳ１０５、１０６にて、ステップＳ１０３で求めた各ゲインＭＫＰ、ＭＫＩ、ＭＫＤの補正を行う。

具体的には、温度センサ６２で検出した蓄圧器１内の燃料温度に基づいて、比例項温度ゲイン係数ＫＰＴ、積分項温度ゲイン係数ＫＩＴ、微分項温度ゲイン係数ＫＤＴを算出するとともに、レール圧に基づいて比例項圧力ゲイン係数ＫＰＰ、積分項圧力ゲイン係数ＫＩＰ、微分項圧力ゲイン係数ＫＤＰを算出する（ステップＳ１０５）。

ここで、図３は燃料温度とリーク量との関係を示すものである。なお、図３のリーク量は、インジェクタ２の動リーク、静リーク、さらには燃料ポンプ５の内部リークの総量である。図３に示すように、リーク量は燃料温度が高くなるのに比例して増加する。

ＥＣＵ３のメモリには、図４に示すような、比例項温度ゲイン係数ＫＰＴおよび微分項温度ゲイン係数ＫＤＴと燃料温度との関係が関数データとして記憶されている。図４に示すように、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂ（例えば、４０℃）以下の領域では、高圧燃料の温度が低くなるのに伴って比例項温度ゲイン係数ＫＰＴおよび微分項温度ゲイン係数ＫＤＴを小さくする（但し、ＫＰＴ≦１、ＫＤＴ≦１）。また、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂを超える領域では、ＫＰＴ＝１、ＫＤＴ＝１とし、実質的な補正がなされないようにしている。そして、ＥＣＵ３は、図４に示す関数データを参照することにより、比例項温度ゲイン係数ＫＰＴおよび微分項温度ゲイン係数ＫＤＴを算出する。

また、ＥＣＵ３のメモリには、図５に示すような、積分項温度ゲイン係数ＫＩＴと燃料温度との関係が関数データとして記憶されている。図５に示すように、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂ以下の領域では、ＫＩＴ＝１とし、実質的な補正がなされないようにしている。また、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂを超える領域では、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って積分項温度ゲイン係数ＫＩＴを大きくする（但し、ＫＩＴ≧１）。そして、ＥＣＵ３は、図５に示す関数データを参照することにより、積分項温度ゲイン係数ＫＩＴを算出する。

図６はレール圧とリーク量との関係を燃料温度毎に示すものである。なお、図６のリーク量は、インジェクタ２の動リーク、静リーク、さらには燃料ポンプ５の内部リークの総量である。図６に示すように、リーク量はレール圧が高くなるのに伴って増加し、より詳細には、レール圧が略８０ＭＰａ以下の領域ではリーク量の変化は少なく、レール圧が略８０ＭＰａを超える領域ではリーク量は二次曲線的に増加する。

ＥＣＵ３のメモリには、図７に示すような、比例項圧力ゲイン係数ＫＰＰ、積分項圧力ゲイン係数ＫＩＰ、および微分項圧力ゲイン係数ＫＤＰとレール圧との関係が関数データとして記憶されている。図７に示すように、高圧燃料の圧力が設定圧力Ｐｂ（例えば、８０ＭＰａ）以下の領域では、ＫＰＰ＝１、ＫＩＰ＝１、ＫＤＰ＝１とし、実質的な補正がなされないようにしている。また、高圧燃料の圧力が設定圧力Ｐｂを超える領域では、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って各圧力ゲイン係数ＫＰＰ、ＫＩＰ、ＫＤＰを二次曲線的に大きくする（但し、ＫＰＰ≧１、ＫＩＰ≧１、ＫＤＰ≧１）。そして、ＥＣＵ３は、図７に示す関数データを参照することにより、各圧力ゲイン係数ＫＰＰ、ＫＩＰ、ＫＤＰを算出する。

そして、ステップＳ１０３で求めた基本となる各ゲインＭＫＰ、ＭＫＩ、ＭＫＤと、ステップＳ１０５で求めた各ゲイン係数ＫＰＴ、ＫＩＴ、ＫＤＴ、ＫＰＰ、ＫＩＰ、ＫＤＰとに基づいて、最終的な比例項ゲインＫＰ（但し、ＫＰ＝ＭＫＰ＊ＫＰＴ＊ＫＰＰ）、最終的な積分項ゲインＫＩ（但し、ＫＩ＝ＭＫＩ＊ＫＩＴ＊ＫＩＰ）、最終的な微分項ゲインＫＤ（但し、ＫＤ＝ＭＫＤ＊ＫＤＴ＊ＫＤＰ）を算出する（ステップＳ１０６）。

続いて、比例項ＱＦＰ（但し、ＱＦＰ＝ＫＰ＊ΔＰ）、積分項ＱＦＩ（但し、ＱＦＩ＝ＫＩ＊∫ΔＰｄｔ）、微分項ＱＦＤ（但し、ＱＦＤ＝ＫＤ＊ｄΔＰ／ｄｔ）を演算した後、それらを加算して基本となる要求吐出量ＱＦＢ（但し、ＱＦＢ＝ＱＦＰ＋ＱＦＩ＋ＱＦＤ）を算出する（ステップＳ１０７）。因みに、要求吐出量は、レール圧を目標レール圧に一致させるために必要な高圧ポンプ５２の燃料圧送量に相当する。

続いて、蓄圧器１内の燃料温度およびレール圧に基づいて、ＥＣＵ３のメモリに記憶された特性式から燃料の体積弾性係数ＰＣＲＥＦを算出する（ステップＳ１０８）。なお、体積弾性係数ＰＣＲＥＦは、燃料温度やレール圧が高くなるほど小さくなる。

続いて、ステップＳ１０７で求めた基本となる要求吐出量ＱＦＢと、ステップＳ１０８で求めた体積弾性係数ＰＣＲＥＦとに基づいて、最終的な要求吐出量ＱＰＭＰを下式（１）により算出する（ステップＳ１０９）。

ＱＰＭＰ＝ＱＦＢ＊ＰＣＲＥＦ／ＫＶＯＬ…（１）
なお、ＫＶＯＬは高圧部の容積である。より詳細には、ＫＶＯＬは、高圧ポンプ５２から蓄圧器１に至る間の燃料通路の容積と蓄圧器１内の容積との和である。

続いて、ステップＳ１０９で求めた最終的な要求吐出量ＱＰＭＰに基づいて、調整弁５３に供給する電流値を算出し、調整弁５３を作動させるための駆動信号を出力する（ステップＳ１１０）。最終的な要求吐出量ＱＰＭＰと調整弁５３に供給する電流値との関係は予め実験により求められ、関数データとしてＥＣＵ３のメモリに記憶されており、ＥＣＵ３はこの関数データを参照して電流値を算出する。

ステップＳ１１０で調整弁５３に供給される電流値を制御することにより、高圧ポンプ５２の燃料吸入量が調整され、ひいては燃料圧送量が調整され、レール圧が目標レール圧に制御される。そして、ステップＳ１１０の処理を実行した後、ＥＣＵ３は本処理ルーチンを一旦終了する。

なお、図８は機関回転数ＮＥとリーク量との関係を示すものであり、機関回転数ＮＥが低い領域（略１０００ｒｐｍ以下）では、リーク量の変化率が極めて大きくなっており、機関回転数ＮＥが低い領域でのリーク量は回転数依存性が支配的になる。そこで、機関回転数ＮＥが所定値未満の場合、すなわちステップＳ１０４がＮＯの場合は、ＫＰ＝ＭＫＰ、ＫＩ＝ＭＫＩ、ＫＤ＝ＭＫＤとして、ステップＳ１０３で求めた各ゲインＭＫＰ、ＭＫＩ、ＭＫＤの補正を行わないようにしている（ステップＳ１１１）。

本実施形態では、高圧燃料の温度および圧力が高くなるのに伴ってフィードバック制御のゲインを大きくしているため、高圧燃料の温度や圧力の変化によりリーク量が変化してもレール圧の変化速度を略一定にすることができ、レール圧のオーバーシュートや制御応答性の低下を防止ないしは抑制することができる。

また、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って比例項のゲインおよび積分項のゲインを二次曲線的に大きくしているため、レール圧の変化速度を精度よく略一定にすることができ、レール圧のオーバーシュートや制御応答性の低下を確実に防止ないしは抑制することができる。

さらに、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂ以下の領域では、高圧燃料の温度が低くなるのに伴って比例項のゲインを小さくしているため、高圧燃料の温度が低いときにはレール圧の変化速度が小さくなり、レール圧のオーバーシュートを確実に防止ないしは抑制することができる。

さらにまた、高圧燃料の温度が設定温度Ｔｂを超える領域では、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って積分項のゲインを大きくしているため、高圧燃料の温度が高いときの定常偏差が小さくなり、レール圧を目標レール圧に正確に制御することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、調整弁５３として、電流の大きさに応じて燃料通路の開口面積を連続的に調整するものを用いたが、フィードポンプ５１から高圧ポンプ５２に至る燃料通路を開閉する形式の調整弁を用いてもよい。なお、この形式の調整弁を用いた場合は、高圧ポンプ５２の吸入行程中に調整弁５３が開弁して高圧ポンプ５２の燃料吸入が開始され、吸入行程の途中で調整弁５３が閉弁して燃料吸入が終了される。そして、調整弁５３の開弁期間中に高圧ポンプ５２に吸入された燃料の全てが、吸入行程に続く圧送行程において加圧されて蓄圧器１に圧送される。従って、調整弁５３の開弁期間を変更することにより、高圧ポンプ５２の燃料圧送量が調整される。

本発明の一実施形態に係る内燃機関用燃料噴射装置の全体構成を示す図である。一実施形態におけるレール圧の制御手順を示すたフローチャートである。燃料温度とリーク量との関係を示す図である。比例項温度ゲイン係数ＫＰＴおよび微分項温度ゲイン係数ＫＤＴと燃料温度との関係を示す図である。積分項温度ゲイン係数ＫＩＴと燃料温度との関係を示す図である。レール圧とリーク量との関係を示す図である。比例項圧力ゲイン係数ＫＰＰ、積分項圧力ゲイン係数ＫＩＰ、および微分項圧力ゲイン係数ＫＤＰとレール圧との関係を示す図である。図８は機関回転数ＮＥとリーク量との関係を示す図である。

符号の説明

１…蓄圧器、２…インジェクタ、３…電子制御装置、５２…高圧ポンプ、５３…調整弁。

Claims

高圧燃料を蓄える蓄圧器（１）と、
この蓄圧器（１）に蓄えられた高圧燃料を内燃機関に噴射するインジェクタ（２）と、
吸入した燃料を加圧して高圧燃料を前記蓄圧器（１）へ圧送する高圧ポンプ（５２）と、
この高圧ポンプ（５２）の燃料圧送量を調整する調整弁（５３）と、
この調整弁（５３）の作動をフィードバック制御して前記蓄圧器（１）内の高圧燃料の圧力を目標圧に制御する圧力制御手段（３）とを備え、
この圧力制御手段（３）は、高圧燃料の温度および圧力のうち少なくとも一方が高くなるのに伴って、フィードバック制御のゲインを大きくすることを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
前記圧力制御手段（３）は、ＰＩD制御によるフィードバック制御を実行するものであり、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って、比例項のゲインおよび積分項のゲインを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
前記圧力制御手段（３）は、高圧燃料の圧力が高くなるのに伴って、前記比例項のゲインおよび前記積分項のゲインを二次曲線的に大きくすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
前記圧力制御手段（３）は、ＰＩD制御によるフィードバック制御を実行するものであり、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って、比例項のゲインおよび積分項のゲインを大きくすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
前記圧力制御手段（３）は、高圧燃料の温度が設定温度以下の領域では、高圧燃料の温度が低くなるのに伴って前記比例項のゲインを小さくするとともに、高圧燃料の温度が前記設定温度を超える領域では前記比例項のゲインを一定にすることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
前記圧力制御手段（３）は、高圧燃料の温度が設定温度以下の領域では、前記積分項のゲインを一定にするとともに、高圧燃料の温度が前記設定温度を超える領域では、高圧燃料の温度が高くなるのに伴って前記積分項のゲインを大きくすることを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
前記高圧ポンプ（５２）は前記内燃機関に駆動されるものであり、
前記圧力制御手段（３）は、前記内燃機関の回転数が１０００ｒｐｍ以下の領域では、高圧燃料の温度および圧力の変化に基づく前記ゲインの変更を行わないことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の内燃機関用燃料噴射装置。