JP2014098375A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、燃料噴射弁の駆動電流値を変更する際の変更条件を燃料の圧力とエンジンの回転数を用いて判定することにあり、燃料噴射弁の駆動状態を最適に制御することにある。
【解決手段】
ソレノイドを有する燃料噴射弁に通電される駆動電流を制御する制御装置において、燃料を噴射するための噴射パルスに基づいて通電される駆動電流を燃料噴射弁に付加される燃料の圧力もしくは、それに基づく燃料の圧力の予測値とエンジンの回転数、もしくは回転数の予測値によって、ソレノイドに流れる駆動電流を弁体が開弁できない状態まで通電を制御するか、前記制御が必要かを燃料圧力、燃料温度、エンジン回転数、１工程中の噴射回数から判定する。また、駆動電流の最大値と最大値の保持時間も同様に制御を行う。
【選択図】図９

Description

この発明は内燃機関の燃料噴射弁の制御に係わり、特に燃料噴射弁の駆動電流波形に関する。

燃料噴射弁の駆動方法に関して、車輌の運転状態に応じて駆動電流波形を変更し遮断電流を用いることで、弁体のバウンドを抑制して最小噴射量を向上する方法が提案されている（例えば特開2012-52419）。

また、弁体が弁座に着座する際の弁座に対する弁体の衝突力を低減する方法として、ソレノイドへの通電が終了して弁体が閉弁方向に移動している際に微小な再通電を行い、弁体の移動速度（閉弁速度）を緩やかにする方法が知られている（例えば特開2003-120848号公報）。

また、余剰な電力を消費しないことや、閉弁速度を適切に維持するために、それぞれの運転状況に応じてソレノイドへの再通電を制御する技術が知られている（特表2001-510528号公報、特開2000-205076号公報及び特開平4-153542号公報）。これらの技術では、アイドル状態時には、閉弁速度を緩やかにするために行う再通電の最大値を、通常運転時よりも低くすることが提案されている。

特開2012-52419公報 特開2003-120848公報

上記前者の従来技術では、エンジンの運転状況に応じてソレノイドへの通電する駆動電流波形に遮断電流を用いることで最小噴射量を向上している。遮断電流においてはソレノイドに供給する電流波形を小さくすることで電流波形を小さくし磁気吸引力を一時的に小さくすることで、弁体に過剰に加わる磁気力を抑制しているものであり、開弁に必要なだけの磁気吸引力を発生させるためには、燃料噴射弁に加わる燃料圧力に応じて、駆動電流波形を選択する必要がある。
一方、運転状況としてはエンジン負荷が考慮されるが、燃料圧力はエンジン負荷と必ずしも比例関係にあるわけではない。例えば、燃料圧力を増加させることで燃料を微粒化することができ、燃料と空気との混合を促進することができ、良好な燃焼状態を実現できる。このため、燃料圧力を、エンジン負荷に応じた噴射量だけでなく、混合の促進や低エミッションの観点から高圧化することが考えられる。

上述したように、弁体に作用する力は、必ずしもエンジンの運転状況に依存するわけではなく、燃料圧力に依存するところが大きいため、弁体を確実に開弁するために、燃料圧力に応じた駆動電流波形を変更する必要がある。

そこで、本発明の目的は、弁体又は弁座および開弁による衝撃が付加される部位を考慮して、駆動電流波形を最小の電流値で駆動させることにあり、最小噴射量の向上のために用いる弁体のバウンドを抑制するための駆動方法を最適に制御することととともに、燃料圧力の弁体の付加状況によって弁体の開弁が抑制されないように駆動電流波形を設定することにある。

内燃機関に直接燃料を噴射するソレノイド式の燃料噴射弁を制御する装置において、燃料噴射弁の駆動電流波形を瞬断する手段を有し、駆動電流値のピーク値を変更することができる制御装置において、燃料の圧力を判定もしくは燃料の圧力を予測する手段と、燃料の温度を判定もしくは燃料の温度を予測する手段を備え、燃料の圧力と燃料の温度もしくは燃料の圧力と燃料の温度の予測値によって前記駆動電流波形の最大値および前記駆動電流波形の最大値の保持時間を変更することを特徴とした燃料噴射弁の制御装置

燃料噴射弁を駆動させる駆動電流を制御し、燃料噴射弁の発熱を低減する。

エンジンシステムの構成図。 燃料噴射弁の構成図。 燃燃料噴射弁を駆動する回路構成図。 噴射信号と駆動電流波形と磁気力と弁変位の時系列グラフ。 図４における駆動に最適制御を行った場合の駆動電流波形と磁気力と弁変位の時系列グラフ。 図４における駆動に最適制御を行った場合の駆動電流波形と磁気力と弁変位の時系列グラフ。 図４における駆動に最適制御を行った場合の駆動電流波形と磁気力と弁変位の時系列グラフ。 実施例におけるフローチャート。 燃料圧力と駆動電流波形の関係。

以下に、本発明に関する燃料噴射弁の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施例のエンジンシステムの構成を示す図である。本実施例では１気筒以上のエンジンを想定しているが、説明上図示する気筒は１気筒に限定する。

まず、エンジン１の基本動作について説明する。エンジン１に吸入される空気はエアクリーナ２を通り、吸気ダクトに取付けられたエアフロセンサ３により吸入空気量が計測される。エンジン１に吸入される空気量はスロットル弁４で制御される。吸気コレクタ５は図示しない他気筒へ空気を分配するためのもので、吸気コレクタ５で各気筒の吸気管に空気が分配され、吸気弁２５を通じて燃焼室２２に空気が吸入される。吸気管６の途中には、空気流に指向性を持たせるための図示しない空気流動制御弁を用いても良い。燃料の通路としては、燃料タンク７から燃料配管を図示しない低圧の燃料ポンプの吐出によって加圧輸送された燃料がコモンレール８に輸送される。それに伴い吸気カムシャフト９に取り付けられた高圧燃料ポンプ１０によってさらに加圧、蓄圧される。エンジンコントロールユニット（以下、ECUという）１１はエンジン１に取付けられた各種センサからの信号を基に、ECU１１内部でエンジン１の運転状況を判定し、その運転状況に相応しい指令値を各種アクチュエータに出力する。

ここで各種センサの例としては、エアフロセンサ３、コモンレール８に設定された燃料の圧力を検出する燃圧センサ１２、吸気カム９の位相を検出するフェーズセンサ１３、排気カム１４の位相を検出するフェーズセンサ１５、クランク軸１６の回転数を検出するクランク角センサ１７、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ１８、ノッキングを検出するノックセンサ（図示しない）、排気管１９内の排気ガス濃度を検出する排ガスセンサ（排気A/Fセンサ２０、排気O₂センサ２１）などである。

また、各種アクチュエータの例としては、燃料噴射弁２３、高圧燃料ポンプ１０、スロットル弁４、空気流動制御弁（図示しない）、吸気および排気のカム位相を制御する位相制御弁(図示しない)、点火コイル２０などである。また、コモンレール８の燃料温度を検出する燃温センサ３０を備えても良い。

ここで、エンジン１の作動構成を考えると、エアフロセンサ３により計測された空気量、および排気A/Fセンサ２０および排気O₂センサ２１の信号を取り込み、ECU１１は燃料噴射量を算出し、高圧ポンプ１０によって加圧された燃料の燃圧を燃圧センサ１２によって検出することで、噴射期間を決定し、ECU１１から燃料噴射弁の駆動回路３０に噴射信号が送られ、燃料噴射弁の駆動回路３０から燃料噴射弁２３に駆動信号を出力することで燃料を噴射する。噴射信号は主に噴射時期、噴射回数、噴射期間で構成される。噴射信号については、後述の本発明の制御方法の最良の形態で説明する。尚、駆動回路３０はECU１１の内部に設けられる構成としても良い。

燃焼室２２に供給された空気と燃料は、ピストン２４の上下動に伴い、燃焼室２２内で気化、混合されて混合気が形成される。その後ピストン２４の圧縮動作により、温度と圧力が上昇する。ECU１１はエンジン回転数、燃料噴射量などの情報から点火時期を算出し、点火コイル２７に点火信号を出力する。点火信号は主に点火コイル２７への通電開始時期、通電終了時期で構成されている。これにより、ピストン２４の圧縮上死点の少し手前のタイミングで点火プラグ２８により点火が行われ、燃焼室２２内の混合気に着火し燃焼が起こる。点火のタイミングは、運転状態によって異なる為、圧縮上死点後の場合もある。燃焼により高まった圧力により、ピストン２４を下方向に押し返す力が働き、膨張行程でエンジントルクとしてクランク軸１６に伝達され、エンジン動力となる。燃焼終了後、燃焼室２２に残留したガスは、排気弁２６を通り排気管１９に排出される。排気ガスは排気管１９の途中に配置された触媒２９を通して大気中に排出される。

次に、図１における燃料噴射弁２３の制御の内容について、図１、図２、図３及び図９を用いて説明する。

まず本実施例に用いる燃料噴射弁（図１中燃料噴射弁２３）の構成について、図２を用いて説明する。図２に示す燃料噴射弁２０１において、本体２０２はコア２０３とノズルホルダ２０４とハウジング２０５とから構成され、図１における高圧燃料ポンプ１０からの燃料を燃料通路２０６を介して、複数の燃料噴射孔２０７に導いている。弁体２０８は、上端部にアンカー２０９を有し、ガイド部材２１４，２１５によって弁体２０８の軸方向（燃料噴射弁２０１の中心軸方向）に摺動可能に案内されるようにして、ノズルホルダ２０３内に収納されている。本実施例では、弁体２０８とアンカー２０９とは弁体２０８の軸方向に相対変位可能に構成されており、アンカー２０９をスプリング２１６によって開弁方向に付勢しているが、アンカー２０９を弁体２０８に固定したものであってもよい。アンカー２０９を弁体２０８に固定した場合には、スプリング２１６は不要である。

スプリング２１０は、弁体２０８とアジャスタピン２１１との間に配置され、アジャスタピン２１１によってスプリング２１０の上端部の位置が拘束され、スプリング２１０が弁体２０８をシート部材２１２のシート部２１３に押し付けることによって燃料噴射孔２０７は閉弁している。ソレノイド２１４は、駆動回路３０からの駆動電流を受けて、コア２０３とアンカー２０９とを含む磁気回路を励磁し、コア２０３とアンカー２０９との間に磁気吸引力を発生させ、アンカー２０９をコア２０３に向かって軸方向に引き上げる。それに伴い、弁体２０８がアンカー２０９によって軸方向に引き上げられ、弁体２０８が弁座のシート部２１３から離れ、複数の燃料噴射孔２０７が開く。これにより、図１における高圧燃料ポンプ１０によって加圧、圧送された燃料が燃料通路２０６を通って燃料噴射孔２０７から噴射される。

ここで、図３を用いて駆動回路の構成について説明する。図３は燃燃料噴射弁２０１を駆動する回路構成を示した図である。

CPU３０１は例えばECU１１に設けられ、内燃機関の運転条件に応じて適切な噴射パルスTi や噴射タイミングの演算を行い、通信ライン３０４を通して燃料噴射弁２０１の駆動IC３０２に噴射信号として噴射パルスTiを出力する。その後駆動IC３０２によって、スイッチング素子３０５、３０６、３０７のON、OFFを切替えて、燃料噴射弁３１５（図１の燃料噴射弁２３、図２の燃料噴射弁２０１）へ駆動電流を供給する。

スイッチング素子３０５は駆動回路３０に入力された電圧源VBよりも高い高電圧源VHと燃料噴射弁３０７の高電圧側の端子間に接続されている。スイッチング素子は、例えばFETやトランジスタ等によって構成される。高電圧源VHは例えば、６０Vであり、バッテリ電圧を昇圧回路３１４によって昇圧することで生成される。昇圧回路は例えば、DC/DCコンバータ等により構成される。スイッチング素子３０８は、低電圧源VBと燃料噴射弁３０７の高圧端子間に接続されている。低電圧源VBは例えば、バッテリ電圧であり１２Vである。

スイッチング素子３０６は、燃料噴射弁３０７の低電圧側の端子と接地電位の間に接続されている。駆動IC３０２は、電流検出用の抵抗３１５、３１２、３１３により、燃料噴射弁３０７に流れている電流値を検出し、検出した電流値によって、スイッチング素子３０５、３０６、３０８のON、OFFを切替え、所望の駆動電流を生成している。ダイオード３０９と３１０は電流を遮断するために備え付けられている。CPU３０１は駆動IC３０２と通信ライン３０３を通して通信を行っており、燃料噴射弁３０７に供給する燃料の圧力や運転条件によって、駆動IC３０２によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。

また、図示しないコンデンサをソレノイドに接続することで、ソレノイドの余剰な電流値をコンデンサに通電して、一定値に保つ構造とすることができる。ここで、余剰な電流値を放電させる方法は、弁体２０８の駆動の妨げにならなければ、コンデンサを接続しなくても良い。

次に図４および燃料噴射弁（図１中燃料噴射弁２３、図２中燃料噴射弁２０１）の制御信号に関して、上から噴射信号４０１、駆動電流４０２、図２における燃料噴射弁のソレノイド２１４への通電によって発生する磁気力４０３、燃料噴射弁の弁体の変位４０４を示している。また、図５は図４の制御に対して、弁体のバウンドを抑制するための制御方法を行った場合であり、上から噴射信号５０１、駆動電流５０２、図２における燃料噴射弁のソレノイド２１４への通電によって発生する磁気力５０３、燃料噴射弁の弁体の変位５０４を示している。

図１におけるECU１１において各種センサから受けた運転状態の検出結果から要求噴射量を検知し、図４における噴射信号４０１を決定する。尚、駆動波形判定までの流れは後述の図８のステップ図を用いて説明する。噴射信号４０１が図１におけるECU１１から出力され、燃料噴射弁の駆動回路３０から駆動電流４０２が出力されることで、図２における燃料噴射弁２０１（図１における燃料噴射弁２３）のソレノイド２１４に通電され、磁気力４０３が発生する。これにより、弁体２０８を引き上げることで燃料を噴射する。詳細に各信号について説明すると、噴射信号４０１が駆動回路３０に入力され、駆動回路３０から駆動電流波形４０２が出力される。駆動電流波形４０２は、駆動電流の最大値Ipに到達するまで電流値を増加させる。これにより、磁気力４０３は弁体２０８を開弁させるのに十分な磁気力を発生させる。これにより、弁体２０８は、弁変位４０４のように磁気力から一定の遅れを持って動作する。このとき、磁気吸引力が燃料の圧力とスプリング210による力の合力からなる閉弁力に対して大きい場合は、弁体がバウンドする可能性を有しているため、図５の５０２の駆動電流波形のように制御することで、図示する弁体の開弁力を左右する駆動電流を開弁力が維持できない電流値まで駆動電流値を低下させ、弁体のバウンドを抑制することで安定した噴射を実現することができる。それに対し、燃料の圧力とスプリング210による合力に対して小さい場合には、図６および図７の駆動電流波形６０２、７０２のように制御することで磁気吸引力を閉弁力に打ち勝つように設定できるため確実に開弁することができる。
続いて駆動電流４０２は開弁を保持するため第１の電流値Ih1、第２の電流値Ih2を保持する。これによって磁気力４０３は、開弁に十分な磁気力を保持し続ける。このとき、図２のソレノイド２１４は弁体２０８の閉弁力の固体バラつきや、磁気力のバラつきを考慮して、開弁するに十分な磁気力に対して余剰な磁気力を有している。続いて噴射信号４０１が終了するにしたがって、駆動電流波形４０２の電流値も０になる。これにより、磁気力４０３も駆動電流波形４０２に一定の遅れを持って０になる。このとき、磁気力４０３は閉弁時に４１１の磁気力を有して０に向かうため弁変位４０４は弁変位４１２のように変化し、燃圧およびスプリングの合力である閉弁力により閉弁される。
次に、図８の制御フローを用いて、燃料噴射弁の弁体の開弁速度を制御するための制御方法について説明する。

図８におけるＳ８０１において、図１において説明した各種センサからの出力を受けて運転状態を判別する。次に、Ｓ８０２において、検出された運転状態から要求される出力を決定する。Ｓ８０３において、要求される出力からECU11で噴射量を演算し、Ｓ８０４において、ECU１１に取り込まれている燃圧センサからの出力を基に燃料圧力（燃圧）を判定する。

また、燃料圧力の値は、圧力センサ１２の出力値を用いても良いが、エンジン回転数と出力から決定される燃圧の予測値を用いても良い。つまり、駆動波形の切り替えの判定値には燃料の圧力の値か、それに準ずる予測値を用いても良い。

次に、Ｓ８０５において駆動電流波形の変更が不要「否」と判定された場合、つまりは燃料圧力が磁気吸引力に比べ高い場合には図４に示す駆動電流波形の制御を行う。この時、燃料圧力の大小の判定には、予め実験等で決められた値を設定して判定値を設定しておけば良い。このとき、開弁速度を左右する磁気吸引力と弁体を閉弁させるためのスプリング力の関係を事前に入手しておくことにより、駆動電流波形に開弁時に弁体のバウンドを抑制するための制御を投入するかを判断することができる。ここで、燃料圧力の判定値は、あくまで制御の基準として設定するものであり、基準値を別の方法から求めても良い。

次に、駆動電流波形の５０２の制御を行わない場合には、Ｓ８０６のフローに従い、１行程中に噴く燃料の噴射回数と噴射時期を決定し、Ｓ８０８において噴射量要求、エンジン回転数、駆動波形、噴射回数、噴射時期によって噴射パルス幅Tｉを算出し、駆動回路３０に噴射信号を出力する。

Ｓ８０５において駆動電流４２２の変更が必要と判定した場合のフローについて説明する。Ｓ８０４の燃圧値（燃料圧力の値）もしくは燃圧の予測値に基づいて、Ｓ８０５で駆動電流波形に開弁時に弁体のバウンドを抑制する制御方法を追加する。このとき、前述の燃圧の判定値に基づいて、駆動電流波形の最大値を変更する。次に、Ｓ８０９において、駆動電流波形を変更する前の状態において噴射回数を決定する。続いて、Ｓ８１０において、噴射時期を決める。続いてＳ８１１において、噴射パルスのパルス幅Ti1を決定する。続いてＳ８１２において、Ｓ８０９で決定した噴射回数、Ｓ８１０で決めた噴射時期、Ｓ８１１で決定したパルス幅Ti1に基づいて、噴射量を決定するパルス幅Tiを補正する。
続いてＳ８１３にて規定された追加制御パルスの分の開弁時間の延長分を考慮するため、Ｓ８０８において噴射パルス幅Tiを決定する。このとき、噴射パルス幅Tiを短くする期間の設定は予め記憶している値もしくは排気A/Fセンサからの出力を参考に決定しても良い。

次に、図９を用いて、エンジン回転数と燃料圧力に対して設定する駆動電流波形に関する燃圧と回転数の領域を説明する。

まず、領域１の燃圧が低い状態においては、燃料噴射弁の弁体を開弁するための磁気吸引力が開弁に必要な210のスプリング力と燃料の圧力に打ち勝つだけの力に対して大きくなるため、駆動電流波形の最大値を小さく設定する(901)。同様に最大値の保持時間の設定値も短いか、もしくは設定しない。また、燃料の圧力が低く回転数が高い状況において、駆動電流波形の最大値に到達すると同時もしくは、それ以前に噴射パルスが終了してしまう場合においては、図４における制御を行う。また、回転数が上昇し１工程あたりの噴射回数が増加した場合においては、本制御を行い弁体のバウンドを抑制するが、前記の駆動電流波形の最大値に到達するのと同時または、それ以前に噴射パルスが終了する場合には、図４における駆動制御を行う。

次に図９における領域２の燃料の圧力が始動時の圧力よりも高く回転数が始動後のアイドル運転時と同等か、それよりも高くエンジンの最高回転数に対して、50%以下の回転数の状態においては、図６の最大値を保持する時間を延長する、もしくは駆動電流波形の最大値を上昇させる (902)。また、燃温センサからの出力が燃料噴射弁への通電時間から事前に設定した閾値を超える場合は、駆動電流波形の最大値を上昇させなくても良い。
領域３においては、燃料の圧力が高いため、領域３と同様に図５における制御を行わず、図４における制御を行う。また、回転数が高いため、駆動電流波形の最大値の保持時間が確保できないため、最大値を上昇させることで、弁体の開弁力を確保する制御を行う(903)。

１…燃料噴射弁本体
11 エンジンコントロールユニット（ECU）
12 燃圧センサ
201 燃料噴射弁
202 弁本体
208 針弁
210 スプリング
212 シート部材
213 シート部
214 ソレノイド
401 噴射信号
402 駆動電流
403 磁気力
404 弁変位
421 閉弁力を制御するための信号
422 閉弁力を制御するため駆動電流
423 閉弁力を制御するため磁気力
424 閉弁力を制御した際の弁変位
501 噴射信号
502 弁変位
503磁気力
504弁変位
601 噴射信号
602 弁変位
603磁気力
604弁変位
601 噴射信号
602 弁変位
603磁気力
604弁変位
Ｓ804 燃温・燃圧値、燃温・燃圧予測値検出工程
Ｓ805 駆動電流波形変更要否判断工程
Ｓ812 閉弁速度制御用駆動電流最大値Ip2、閉弁速度制御用パルスのパルス
901〜906 制御領域

Claims (3)

1. 内燃機関に直接燃料を噴射するソレノイド式の燃料噴射弁を制御する装置において、燃料噴射弁の駆動電流波形を瞬断する手段を有し、駆動電流値のピーク値を変更することができる制御装置において、燃料の圧力を判定もしくは燃料の圧力を予測する手段と、燃料の温度を判定もしくは燃料の温度を予測する手段を備え、燃料の圧力と燃料の温度もしくは燃料の圧力と燃料の温度の予測値によって前記駆動電流波形の最大値および前記駆動電流波形の最大値の保持時間を変更することを特徴とした燃料噴射弁の制御装置
2. 内燃機関に直接燃料を噴射するソレノイド式の燃料噴射弁を制御する装置において、燃料噴射弁の駆動電流波形を瞬断する手段を有し、駆動電流値のピーク値を変更することができる制御装置において、燃料の圧力を判定もしくは燃料の圧力を予測する手段を有し、燃料圧力が上昇した場合には燃料噴射弁を駆動させる電流の最大値を上昇させ、燃料の圧力の判定値もしくは燃料の圧力の予測値が閾値を超えた場合には、前記駆動電流値を第１の保持電流より下げることなく、前記駆動電流値のピーク値から第１の開弁保持電流へ移行することを特徴とした燃料噴射弁の制御装置
3. 内燃機関に直接燃料を噴射するソレノイド式の燃料噴射弁を制御する装置において、燃料噴射弁の駆動電流波形を瞬断する手段を有し、燃料噴射弁の駆動電流値のピーク値を変更することができる制御装置において、エンジンの１工程中に噴く燃料噴射の回数とエンジンの回転数によって、噴射回数とエンジンの回転数が増加しても前記駆動電流値を第１の保持電流より下げることなく、前記駆動電流値のピーク値から第１の開弁保持電流へ移行することを特徴とした燃料噴射弁の制御装置