JP2013060890A - 内燃機関の燃料ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃料ポンプを、高応答かつ高精度に制御する。
【解決手段】機関の要求負荷（スロットル開度）を、大気圧補正係数及び燃料当量比に基づいて実負荷に見合うように補正し、該補正後機関負荷と機関回転速度とに基づいて設定したゲイン（傾き）とオフセットとを用いて、一次式により目標燃圧に対する燃料ポンプの駆動電圧のフィードフォワード操作量を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料ポンプの駆動操作量を制御する内燃機関の燃料ポンプ制御装置に関する。

この種の制御装置として、燃料噴射弁からの燃料消費量（実際の機関負荷）に応じて燃料ポンプの駆動操作量を制御するものがあるが、制御系や燃料ポンプの応答遅れにより燃料圧力を適正に維持しにくいことがあった。

このため、特許文献１には、アクセル操作量に基づいて吸気管圧力の変動を予測し、該予測した吸気管圧力に基づいて電動式燃料ポンプの駆動電圧を制御することにより、応答性改善を図った技術が開示されている。

特開平９−１７０４６７号公報

特許文献１ではアクセル開度等、機関の要求負荷に基づいて燃料ポンプの駆動操作量を算出しているため、高地等、大気圧の変化に伴う吸気圧の変化を受け、燃料噴射量（実際の機関負荷）が減少する。

これにより、要求負荷に基づく操作量で駆動される燃料ポンプからの燃料吐出量が過剰となって、目標燃圧と実燃圧との間にずれを生じ、排気エミッション、燃費、出力性能が悪化することがあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するため、大気圧が変化しても燃料圧力が適正に維持されるように燃料ポンプを駆動することを目的とする。

このため、本発明は、
機関の要求負荷を検出する要求負荷検出手段と、少なくとも前記検出された要求負荷に基づいて燃料ポンプの駆動操作量を算出する駆動操作量算出手段と、を備え、駆動操作量によって燃料ポンプを駆動する内燃機関の燃料ポンプ制御装置であって、以下の手段を含んで構成される。

大気圧を検出する大気圧検出手段
前記算出された駆動操作量を、前記検出された大気圧に基づいて補正する駆動操作量補正手段

要求負荷を基本とした駆動操作量の設定により高応答性を確保しつつ、大気圧検出値に基づく駆動操作量の補正によって、大気圧が変化しても実際の機関負荷に見合った駆動操作量が得られ、排気エミッション、燃費、出力性能等の機関性能が改善される。

実施形態に係る車両用内燃機関の燃料ポンプ制御装置を示す図 燃料ポンプの駆動電圧（駆動操作量）算出の第１実施形態を示すフローチャート 大気圧センサの検出値に基づいて大気圧補正係数を算出するサブルーチンのフローチャート 目標燃圧ＦＰＴＲＰとフィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬとの関係を示す線図 燃料ポンプの駆動電圧（駆動操作量）算出の第２実施形態を示すフローチャート 大気圧補正係数を機関運転状態に基づき推定して算出するサブルーチンのフローチャート

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態に係る燃料ポンプ制御装置を備えた車両用内燃機関の燃料供給系を示す図である。

図１において、燃料タンク１は、エンジン（内燃機関）１０の燃料を貯留するタンクであり、例えば車両の後部座席の下などに配置される。
前記燃料タンク１には、給油キャップ２で閉塞される給油口３が開口されており、給油キャップ２を外して前記給油口３から燃料が補給される。

前記燃料タンク１内には、図示省略したブラケットによって電動式の燃料ポンプ４が設置されている。
前記燃料ポンプ４は、燃料タンク１内のガソリンを吸い込み口から吸い込んで吐出口から吐き出す、例えばタービン式等の電動ポンプであり、前記吐出口には、燃料パイプ５ａの一端が接続されている。

前記燃料パイプ５ａの他端には、燃料ポンプ４から後述する燃料噴射弁９に向かう燃料の流れを通過させ、前記燃料噴射弁９から燃料ポンプ４に向かう流れ（逆流）を阻止する逆止弁７の入口側が接続される。

前記燃料パイプ５ａ、燃料パイプ５ｂ、燃料ギャラリーパイプ８によって、燃料ポンプ４から燃料噴射弁９に向けた燃料供給通路が形成される。
前記燃料ギャラリーパイプ８には、その延設方向に沿って気筒数（本実施形態は４気筒）と同じ数の噴射弁接続部８ａが設けられ、各噴射弁接続部８ａには、燃料噴射弁９の燃料取り入れ口がそれぞれ接続される。

前記燃料噴射弁９は、電磁コイルへの通電によって磁気吸引力が発生すると、スプリングによって閉弁方向に付勢されている弁体がリフトして燃料を噴射する、電磁式燃料噴射弁である。

前記燃料噴射弁９は、エンジン１０の各気筒の吸気ポート部にそれぞれ設置され、各気筒に燃料をそれぞれ噴射供給する。
また、前記燃料ギャラリーパイプ８内と燃料タンク１内とを連通させるリリーフパイプ１２が設けられて、前記リリーフパイプ１２の途中には、リリーフ弁１３が介装されている。

前記リリーフ弁１３は、弾性体により閉弁方向に付勢されており、燃料ギャラリーパイプ８内の燃料を燃料タンク１内にリリーフする機械式のチェックバルブであり、燃料ギャラリーパイプ８内の燃力が前記開弁圧（許容上限圧）を超えて大きくなることを阻止するために設けてある。

マイクロコンピュータを内蔵する電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１は、前記燃料噴射弁９それぞれに対して個別に開弁制御パルス信号を出力して、各燃料噴射弁９による燃料噴射量及び噴射時期を制御する。

前記電子制御ユニット１１には、各種センサからの検出信号が入力される。
前記各種センサとしては、エンジン１０の吸入空気流量を検出するエアフローメータ２１、所定クランク角位置毎に検出信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン１０の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ２３、前記燃料ギャラリーパイプ８内における燃料の圧力を検出する燃圧センサ２４、前記燃料ギャラリーパイプ８内における燃料の温度を検出する燃温センサ２５、排気中成分から空燃比を検出する空燃比センサ２６の他、燃料ポンプ４の駆動制御に関わるセンサとして、エンジン１０の図示しないスロットル弁の開度（スロットル開度）を検出するスロットルセンサ２７、大気圧を検出する大気圧センサ２８などが設けられる。

そして、前記電子制御ユニット１１は、目標空燃比の混合気を形成させることができる燃料量に見合う噴射パルス幅を、前記エアフローメータ２１，クランク角センサ２２，水温センサ２３，空燃比センサ２６などからの検出信号に基づき演算し、前記噴射パルス幅の開弁制御パルス信号を、各燃料噴射弁９に出力する。電子制御ユニット（ＥＣＵ）１１は、この他のエンジン制御（点火時期、スロットル制御）等も行う。

ポンプコントロールユニット（ＰＣＵ）１４は、前記燃料ポンプ４への駆動電圧（駆動操作量）を制御することで、燃料ポンプ４の燃料吐出量を調整して燃料圧力を制御する。
ここで、燃料ポンプ４の駆動電圧が、大気圧変化に対しても燃料圧力を適正に維持できるように設定される。

図２は、燃料ポンプ４の駆動電圧（駆動操作量）算出の第１実施形態を示すフローチャートである。
本第１実施形態では、目標燃圧ＦＰＴＲＰに対する燃料ポンプ４の駆動電圧のフィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬを、下記の一次式にしたがって、算出する。

ＦＰＦＦＶＯＬ＝ＦＰＧＡＩＮ×ＦＰＴＲＰ＋ＦＰＯＦＳ・・・（１）
ここで、ゲイン（傾き）ＦＰＧＡＩＮと、オフセットＦＰＯＦＳとを、機関運転状態に基づいて以下のように設定する。

ステップＳ１では、機関の要求負荷を、大気圧変化等に応じて実際の負荷に見合うように補正した補正後機関負荷を、次式にしたがって算出する。該補正後機関負荷は、燃料噴射弁９からの１回（吸気行程毎）の燃料噴射量に相当する。

ＴＱＨＨＯＳ＝ＴＱＨ０×ＩＮＪＰＡＭＳ×ＩＮＪＦＥＲ・・・（２）
ただし、ＴＱＨＨＯＳ：補正後機関負荷
ＴＱＨ０：スロットル開度（要求負荷）
ＩＮＪＰＡＭＳ：大気圧補正係数
ＩＮＪＦＥＲ：燃料当量比
ここで、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳは、上記のように大気圧センサ２８を備えている場合は、図３に示すサブルーチンのフローチャートに示すように、大気圧センサ２８で検出された大気圧が低くなるほど、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳが減少するように算出される。

同一スロットル開度でも、大気圧が低いときほど、吸気圧（吸入空気量）が低下し、これに伴って、燃料噴射量（実負荷）が減少するので、該実負荷の減少に対応させて減少補正するようにしたものである。

また、燃料当量比は、目標空燃比が基準空燃比、例えば、理論空燃比から外れる運転領域における補正のため設定される。例えば、基準空燃比での運転領域では１に設定されるが、高負荷時など燃料噴射量を増量して基準空燃比より濃い空燃比で運転される領域では、該濃空燃比に応じて１より大きい値に設定され、基準空燃比より薄いリーン空燃比で運転される領域では、該リーン空燃比に応じて１より小さい値に設定されている。

このようにして、実際の負荷（燃料噴射量）に見合った補正後機関負荷ＴＱＨＨＯＳを算出することができる。
ステップＳ２では、上記の補正後機関負荷ＴＱＨＨＯＳと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、上述したＦＦ操作量算出式（１）のゲインＦＰＧＡＩＮを図示のように設定されたマップから算出する。該マップでは、アイドル等の小出力領域から中高出力領域、全開出力領域へと出力が増大するにしたがって、ゲインＦＰＧＡＩＮが増大するように設定されている。

ステップＳ３では、同じく補正後機関負荷ＴＱＨＨＯＳと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、上述したＦＦ操作量算出式（１）のオフセットＦＰＯＦＳを図示のように設定されたマップから算出する。該マップでは、アイドル等の小出力領域から中高出力領域、全開出力領域へと出力が増大するにしたがって、オフセット量ＦＰＯＦＳが増大するように設定されている。

ステップＳ４では、目標燃圧ＦＰＴＲＰに対する燃料ポンプ４の駆動電圧のフィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬを、ステップＳ２，Ｓ３で算出されたゲインＦＰＧＡＩＮ及びオフセットＦＰＯＦＳを用いて、次式（１）により算出する。

ＦＰＦＦＶＯＬ＝ＦＰＧＡＩＮ×ＦＰＴＲＰ＋ＦＰＯＦＳ・・・（１）
図４は、目標燃圧ＦＰＴＲＰとフィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬとの関係を示す。

簡易的には、該フィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬをそのまま駆動電圧（操作量）として燃料ポンプ４に印加する制御としてもよいが、燃料ポンプ４の性能バラツキ等により生じる目標燃圧と実燃圧との相違を補正するため、さらに以下のようにフィードバック操作量を算出して、フィードバック制御を行うのが好ましい。

ステップＳ５では、目標燃圧ＦＰＴＲＰと、燃圧センサ２４で検出された実燃圧ＦＰＲＥＰとの偏差に基づいて、燃料ポンプ４の駆動電圧のフィードバック操作量ＦＰＦＢＶＯＬを算出する。例えば、偏差ΔＰ（＝ＦＰＴＲＰ−ＦＰＲＥＰ）が大きいほど、フィードバック操作量ＦＰＦＢＶＯＬが大きい値に設定される。

ステップＳ６では、上記フィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬとフィードバック操作量ＦＰＦＢＶＯＬとに基づいて、次式（３）のように燃料ポンプ４の最終的な駆動操作量ＦＰＶＯＬを算出し、燃料ポンプ４に出力する。

ＦＰＶＯＬ＝ＦＰＦＦＶＯＬ＋ＦＰＦＢＶＯＬ・・・（３）
かかる第１実施形態によれば、燃料ポンプ駆動のフィードフォワード操作量を、機関の要求負荷を基本として設定することにより、制御系や燃料ポンプの応答遅れに対して燃料圧力を高応答で制御できる。

一方、高地走行などで大気圧が低下した場合には、大気圧が低下するほど減少する大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳによってフィードフォワード操作量を減少補正することにより、減少補正した燃料圧力に制御できる。その結果、大気圧の低下に伴い減少する要求負荷に見合った適正な燃料噴射量に減少補正される。

これにより、排気エミッション、燃費、出力性能等の機関性能を良好に維持できる。
また、本実施形態では、目標燃圧に対してフィードフォワード操作量を一次式で規定し、そのゲイン及びオフセットを、補正後機関負荷と機関回転速度に基づいて機関出力毎に設定する構成としたため、簡易な演算式でフィードフォワード操作量を高精度に算出することができる。

次に、燃料ポンプ４の駆動電圧（駆動操作量）算出の第２実施形態を、図５のフローチャートにしたがって、説明する。
ステップＳ２１では、図２のステップＳ１と同様に、機関の要求負荷を、大気圧変化等に応じて実際の負荷に見合うように補正した補正後機関負荷ＴＱＨＨＯＳ（燃料噴射弁９の１回の燃料噴射量）を算出する。

ステップＳ２２では、補正後機関負荷ＴＱＨＨＯＳと機関回転速度Ｎｅとに基づいて、燃料噴射弁９によって消費される燃料流量の推定値ＦＰＱＥＶを次式により算出する。
ＦＰＱＥＶ＝ｋ×ＴＱＨＨＯＳ×Ｎｅ
ただし、ｋは、機関１回転当たりの噴射回数であり、４サイクル機関の場合、燃料噴射弁の総数ｎ／２（図１の例ではｋ＝２）
ステップＳ２３では、燃料ポンプ４の駆動電圧のフィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬを、燃料流量推定値ＦＰＱＥＶと目標燃圧ＦＰＴＲＰとに基づいて、図示のように設定されたマップから検索する。

ここで、フィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬは、燃料流量推定値ＦＰＱＥＶが大きいほど、また、目標燃圧ＦＰＴＲＰが大きいほど、燃料ポンプ４からの燃料吐出量の要求値が増大するため、フィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬを大きくするように設定されている。

ステップＳ２４では、図２のステップＳ５と同様にして、目標燃圧ＦＰＴＲＰと、実燃圧ＦＰＲＥＰとの偏差に基づいて、燃料ポンプ４の駆動電圧のフィードバック駆動操作量ＦＰＦＢＶＯＬを算出する。

ステップＳ１５では、図２のステップＳ６と同様にして、フィードフォワード操作量ＦＰＦＦＶＯＬとフィードバック駆動操作量ＦＰＦＢＶＯＬとを加算して、燃料ポンプ４の最終的な駆動操作量ＦＰＶＯＬを算出し、燃料ポンプ４に出力する。

かかる第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、燃料ポンプ駆動のフィードフォワード操作量を、機関の要求負荷を基本として設定することにより、制御系や燃料ポンプの応答遅れに対して燃料圧力を高応答で制御できる。

一方、大気圧に基づき実負荷相当の機関負荷に見合うようにフィードフォワード操作量を補正することにより、高地走行など大気圧が変化しても適正な燃料圧力に制御できる。
これにより、排気エミッション、燃費、出力性能等の機関性能を良好に維持できる。

また、本実施形態では、補正後機関負荷と機関回転速度に基づいて燃料流量（燃料消費量）を推定し、該推定燃料流量と目標燃圧に基づいて、フィードフォワード操作量を高精度に算出することができる。

図６は、大気圧センサを備えない場合に、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳを機関運転状態に基づき推定して算出するフローチャートを示す。推定された大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳは、第１実施形態（図２のステップＳ１）及び第２実施形態（図５のステップＳ２１）で用いることができる。

ステップＳ３１では、機関始動状態であるかを判定し、機関始動状態でない場合は、ステップＳ３２へ進んで、機関の過渡運転状態であるかを判定する。
そして、機関始動状態である場合、または機関の過渡運転状態であると判定された場合は、ステップＳ３３へ進んで、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳを、前回値を保持して設定する。なお、前回値は、後述するステップＳ３４,Ｓ３５で算出された最新値である。

機関始動状態でも過渡運転状態でもなく、定常運転状態と判定された場合は、ステップＳ３４以降へ進み、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳを推定する。
まず、ステップＳ３４では、機関の要求負荷としてスロットル開度ＴＱＨ０に基づいて、要求基本噴射量ＴＴＰを算出する。

この要求基本噴射量ＴＰＰは、低地平坦路での定常走行でスロットル開度ＴＱＨ０に応じたシリンダ吸入空気量で、基準空燃比（例えば理論空燃比）が得られるように算出される値である。なお、低地平坦路での定常走行を条件としているため、スロットル開度ＴＱＨ０に応じて機関回転速度Ｎｅも略一定となるので、スロットル開度ＴＱＨ０のみでシリンダ吸入空気量が定まり、要求基本噴射量ＴＰＰを求めることができる。ただし、路面摩擦抵抗の相違等によって機関回転速度Ｎｅが変化する場合もあるので、スロットル開度ＴＱＨ０と機関回転速度Ｎｅとに基づいて、より精度よく要求基本噴射量ＴＰＰを算出するようにしてもよい。

ステップＳ３５では、エアフローメータ２１によって検出された吸入空気流量と機関回転速度Ｎｅとに基づいて算出される基準空燃比相当の実基本噴射量ＴＰと、前記要求基本噴射量ＴＰＰとを比較して、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳを算出する。

すなわち、スロットル開度ＱＨ０（及び機関回転速度Ｎｅ）に基づいて算出される要求基本噴射量ＴＰＰは、高度が増大して大気圧が低下しても、該大気圧低下による質量吸入空気量の低下が反映されない。つまり、同一のスロットル開度ＱＨ０であれば、大気圧筒内圧力が低下しても同一の値である。

一方、エアフローメータ２１によって検出される吸入空気流量は質量流量であるため、同一のスロットル開度ＱＨ０に対し、大気圧低下に応じて減少する吸入空気流量が検出される。

したがって、要求基本噴射量ＴＰと、実基本噴射量ＴＰＰとを比較することで大気圧を推定でき、次式（４）により、大気圧補正係数ＩＮＪＰＡＭＳを算出することができる。
ＩＮＪＰＡＭＳ＝ＴＰ／ＴＴＰ・・・（４）
かかる推定を行えば、大気圧センサを備えることなく大気圧補正係数を設定でき、低コストで大気圧に基づく燃料ポンプ駆動操作量の補正を行うことができる。

更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）機関の定常運転状態において、要求負荷に基づき算出される燃料噴射量と、実際に検出された機関負荷に基づき算出される燃料噴射量との比較により、大気圧補正係数を算出し、
前記駆動操作量補正手段は、前記大気圧補正係数に基づいて駆動操作量を補正することを特徴とする。

このようにすれば、低コストで大気圧に基づく燃料ポンプ駆動操作量の補正を行うことができる。

１…燃料タンク、４…燃料ポンプ、５ａ，５ｂ…燃料パイプ、８…燃料ギャラリーパイプ、９…燃料噴射弁、１０…内燃機関、１１…電子制御ユニット、１２…リリーフパイプ、１３…リリーフ弁、１４…ポンプコントロールユニット、２１…エアフローメータ、２２…クランク角センサ、２４…燃圧センサ、２７…スロットルセンサ、２８…大気圧センサ

Claims (3)

1. 機関の要求負荷を検出する要求負荷検出手段と、
   少なくとも前記検出された要求負荷に基づいて燃料ポンプの駆動操作量を算出する駆動操作量算出手段と、
   を備え、駆動操作量によって燃料ポンプを駆動する内燃機関の燃料ポンプ制御装置であって、
   大気圧を検出する大気圧検出手段と、
   前記算出された駆動操作量を、前記検出された大気圧に基づいて補正する駆動操作量補正手段と、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の燃料ポンプ制御装置。
2. 前記駆動操作量補正手段は、前記要求負荷を大気圧に基づいて補正して実際の機関負荷を推定し、該推定された機関負荷と機関回転速度とに基づいて駆動操作量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料ポンプ制御装置。
3. 前記駆動操作量補正手段は、前記大気圧の検出値が小さくなるにしたがって、前記駆動操作量を小さくなるように補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃料ポンプ制御装置。

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