JP2015101977A - 燃料噴射制御装置および燃料噴射システム - Google Patents

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Abstract

【課題】噴射量の増減を逆に補正する懸念を解消することで、噴射量を高精度で制御できるようにする。
【解決手段】燃料噴射制御装置は、目標噴射量に応じたコイルへの通電時間を算出する通電時間算出手段と、通電開始に伴いブースト電圧をコイルへ印加して、コイルを流れる電流を所定の閾値まで上昇させる上昇制御手段と、を備える。そして、閾値まで上昇して電流がピーク値になる時期が、コイルの使用温度範囲に応じて出現し得る範囲をピーク出現範囲W1と呼ぶ場合において、通電時間Tiの終了時期がピーク出現範囲W1から外れた時期になるように目標噴射量を設定する。
【選択図】図4

Description

本発明は、燃料噴射弁のコイルへの通電時間を制御することで燃料の噴射量を制御する、燃料噴射制御装置および燃料噴射システムに関する。
一般的な燃料噴射弁は、コイルへ通電して生じた電磁吸引力により弁体を開弁作動させる構造である。そして、従来の燃料噴射制御装置は、コイルへの通電時間を制御することで弁体の開弁時間を制御し、ひいては1回の開弁で噴射される量を制御する。詳細には、先ず、昇圧回路により昇圧されたブースト電圧をコイルに印加して、電磁吸引力を即座に上昇させる。その後、コイルを流れる電流(コイル電流)が所定の閾値にまで上昇した時点でブースト電圧の印加を停止させ、その後、目標噴射量に対応する通電時間に達した時点でコイルへのバッテリ電圧の印加を停止させる。
特開2011−94562号公報
コイル温度が高くなると電気抵抗が大きくなる。そのため、通電時間と噴射量との関係を表す特性線の形状はコイル温度に応じて異なってくる。そこで本発明者らは、目標噴射量に対応する通電時間を、コイル温度に応じて補正(温度補正)することを検討した。
ここで、本発明者らが実施した試験により、特性線には以下の減少領域および増加領域の両方が含まれていることが明らかになった。減少領域では、コイル温度が高いほど通電時間に対する噴射量が減少する。増加領域では、コイル温度が高いほど噴射量が増加する。そのため、目標噴射量に対応する通電時間が、減少領域および増加領域のいずれであるかを判別し、その判別結果に応じて温度補正の増減を逆にすることを要する。
しかしながら、例えば、想定していた特性線が実際の特性線に対して僅かにずれているだけで、減少領域と増加領域の判別結果が異なってくる。そして、上記判別を誤ると、温度補正の増減が逆に為されてしまうので、実際の噴射量が目標噴射量から乖離する側に補正される懸念が生じる。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、その目的は、噴射量の増減を逆に補正する懸念を解消することで、噴射量を高精度で制御できるようにした燃料噴射制御装置および燃料噴射システムを提供することにある。
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、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って、発明の技術的範囲を限定するものではない。
開示される発明のひとつは、燃料噴射制御装置であり、コイル(13)へ通電して生じた電磁吸引力により弁体(12)を開弁作動させて、内燃機関の燃焼に用いる燃料を噴射する燃料噴射弁(10)に適用された燃料噴射制御装置であることを前提とする。
そして、燃料噴射弁の1回の開弁で噴射される燃料の目標噴射量を設定する目標噴射量設定手段(S30)と、目標噴射量に応じたコイルへの通電時間を算出する通電時間算出手段(S40)と、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路(23)と、通電時間の開始に伴い、昇圧回路により昇圧されたブースト電圧をコイルへ印加して、コイルを流れる電流を所定の閾値まで上昇させる上昇制御手段(21a)と、を備え、閾値まで上昇して電流がピーク値になる時期が、コイルの使用温度範囲に応じて出現し得る範囲をピーク出現範囲(W1、W4)と呼ぶ場合に、通電時間の終了時期(t31、t60)がピーク出現範囲から外れた時期になるように、目標噴射量設定手段は目標噴射量を設定することを特徴とする。
さて、先述した通り、通電時間と噴射量との関係を表す特性線には、高温であるほど噴射量が増加する増加領域と、高温であるほど噴射量が減少する減少領域とが含まれている。そして本発明者らは、「増加領域と減少領域との境界がピーク出現範囲に存在する」との知見を得た。
この知見を鑑み、上記発明では、通電時間の終了時期をピーク出現範囲から外れた時期にしている。そのため、目標噴射量に対応する通電時間を温度に応じて補正するにあたり、高温であるほど増加補正するべきか減少補正するべきかが特定されるようになる。よって、同一の目標噴射量に対して、高温であるほど増加補正する場合と減少補正する場合とに切り替えることを不要にできる。したがって、コイル温度に応じて通電時間を補正するにあたり、補正の増減を逆にしてしまう懸念を解消できる。そのため、コイル温度を考慮した特性線に基づいて燃料の噴射量を高精度で制御できるようになる。
また、開示される発明のひとつは、上記前提の燃料噴射制御装置であり、燃料噴射弁の1回の開弁で噴射される燃料の目標噴射量を設定する目標噴射量設定手段(S30)と、目標噴射量に応じたコイルへの通電時間を算出する通電時間算出手段(S40)と、バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路(23)と、通電時間の開始に伴い、昇圧回路により昇圧されたブースト電圧をコイルへ印加して、コイルを流れる電流を所定の閾値まで上昇させる上昇制御手段(21a)と、を備え、通電時間と噴射量との関係を表す特性線(L1、L2、L3)であってコイルの使用温度毎に異なる特性線が互いに交差する点をクロス点(P1、P2)と呼び、クロス点がコイルの使用温度範囲に応じて出現し得る範囲をクロス点出現範囲(W2、W3)と呼ぶ場合に、通電時間の終了時期(t31、t60)がクロス点出現範囲から外れた時期になるように、目標噴射量設定手段は目標噴射量を設定することを特徴とする。
上述した特性線の増加領域と減少領域との境界は、コイルの使用温度毎に異なる特性線が互いに交差するクロス点に相当する。そして上記発明では、通電時間の終了時期をクロス点出現範囲から外れた時期にしている。そのため、目標噴射量に対応する通電時間を温度に応じて補正するにあたり、高温であるほど増加補正するべきか減少補正するべきかが特定されるようになる。よって、同一の目標噴射量に対して、高温であるほど増加補正する場合と減少補正する場合とに切り替えることを不要にできる。したがって、コイル温度に応じて通電時間を補正するにあたり、補正量の増減を逆にしてしまう懸念を解消できる。そのため、コイル温度を考慮した特性線にしたがって、燃料の噴射量を高精度で制御できるようになる。
本発明の第1実施形態に係る燃料噴射制御装置、およびその装置を備えた燃料噴射システムを示す概要図。 第1実施形態において、燃料噴射弁の全体構造を示す断面図。 第1実施形態にて噴射制御を実施した場合における、コイルへの印加電圧、コイル電流、電磁吸引力およびリフト量の時間経過に伴い生じる変化を示すとともに、通電時間と噴射量との関係を示す図。 通電時間と噴射量との関係を表す特性線が、コイル温度に応じて異なる形状になることを示す図。 時間経過に伴い生じるコイル電流の変化を表す電流波形が、コイル温度に応じて異なる形状になることを示す図。 第1実施形態において、通電時間を算出する手順を示すフローチャート。 本発明の第2実施形態において、クロス点出現範囲を示す図。 本発明の第3実施形態に係る燃料噴射システムを示す概要図。 第3実施形態にて、噴射制御を実施した場合における、コイルへの印加電圧、コイル電流、電磁吸引力およびリフト量の時間経過に伴い生じる変化を示すとともに、通電時間と噴射量との関係を示す図。 本発明の第5実施形態において、ピーク出現範囲を示す図。
以下、図面を参照しながら発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。
(第1実施形態)
図1に示す燃料噴射弁10は、点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)に搭載されており、内燃機関の燃焼室2へ直接燃料を噴射するものである。具体的には、燃焼室2を形成するシリンダヘッド3に、燃料噴射弁10を挿入する取付穴4が形成されている。燃料噴射弁10へ供給される燃料は燃料ポンプPにより圧送され、燃料ポンプPは内燃機関の回転駆動力により駆動する。
図2に示すように、燃料噴射弁10は、ボデー11、弁体12、コイル13、固定コア14、可動コア15、噴孔ボデー17等を備えて構成されている。ボデー11は、内部に燃料通路11aが形成されるよう、金属製の磁性材料にて形成されている。ボデー11は、弁体12、固定コア14および可動コア15を内部に収容するとともに、噴孔ボデー17を保持する。
噴孔ボデー17には、弁体12が離着座する着座面17b、および燃料を噴射する噴孔17aが形成されている。弁体12に形成されたシート面12aを着座面17bに着座させるよう弁体12を閉弁作動させると、噴孔17aからの燃料噴射が停止される。シート面12aを着座面17bから離座させるよう弁体12を開弁作動(リフトアップ)させると、噴孔17aから燃料が噴射される。
固定コア14は、金属製の磁性材料にて円筒形状に形成され、円筒内部に燃料通路14aを形成する。可動コア15は、金属製の磁性材料にて円盤形状に形成されており、コイル13への非通電時には固定コア14と所定のギャップを有するよう、固定コア14に対向配置されている。固定コア14および可動コア15は、コイル13への通電により生じた磁束の通路となる磁気回路を形成する。
コイル13へ通電して固定コア14に電磁吸引力を生じさせると、この電磁吸引力により可動コア15が固定コア14に引き寄せられる。その結果、可動コア15に連結されている弁体12は、後述するメインスプリングSP1の弾性力および燃圧閉弁力に抗してリフトアップ(開弁作動)する。一方、コイル13への通電を停止させると、メインスプリングSP1の弾性力により、弁体12は可動コア15とともに閉弁作動する。
可動コア15には貫通孔15aが形成されており、この貫通孔15aに弁体12が挿入配置されることで、弁体12は可動コア15に対して摺動して相対移動可能に組み付けられている。弁体12の反噴孔側端部には係止部12dが形成されている。可動コア15が固定コア14に吸引されて移動する際には、係止部12dが可動コア15に係止された状態で移動するので、可動コア15の移動に伴い弁体12も移動(開弁作動)する。但し可動コア15が固定コア14に接触した状態であっても、弁体12は可動コア15に対して相対移動してリフトアップすることが可能である。
弁体12の反噴孔側にはメインスプリングSP1が配置され、可動コア15の噴孔側にはサブスプリングSP2が配置されている。これらのスプリングSP1、SP2はコイル状であり、中心軸線C方向に弾性変形する。メインスプリングSP1の弾性力(メイン弾性力Fs1)は、弁体12へ閉弁側に付与される。サブスプリングSP2の弾性力(サブ弾性力Fs2)は、可動コア15へ開弁側に付与される。
要するに、弁体12は、メインスプリングSP1と着座面17bとの間に挟まれており、可動コア15は、サブスプリングSP2と係止部12dとの間に挟まれている。そして、サブスプリングSP2の弾性力Fs2は、可動コア15を介して係止部12dに伝達され、弁体12へ開弁方向に付与されることとなる。したがって、メイン弾性力Fs1からサブ弾性力Fs2を差し引いた弾性力Fsが、弁体12へ閉弁方向に付与されているとも言える。
図1の説明に戻り、電子制御装置(ECU20)は、マイクロコンピュータ(マイコン21)、集積IC22、昇圧回路23、スイッチング素子SW2、SW3、SW4等を備える。ECU20は、燃料噴射弁10の作動を制御して燃料噴射量を制御する燃料噴射制御装置を提供する。また、ECU20および燃料噴射弁10は、最適量の燃料を噴射する燃料噴射システムを提供する。
マイコン21は、中央演算装置、不揮発性メモリおよび揮発性メモリ等を有して構成され、内燃機関の負荷および機関回転速度に基づき、燃料の目標噴射量および目標噴射開始時期を算出する。なお、通電時間Tiと噴射量qとの関係を示す噴射特性(Ti−q特性線)を予め試験して取得しておき、その噴射特性にしたがってコイル13への通電時間Tiを制御することで、噴射量qを制御する。後述する図3(a)中の符号t10は通電時間の開始時期、符号t60は通電時間の終了時期を示す。
集積IC22は、スイッチング素子SW2、SW3、SW4の作動を制御する噴射駆動回路22a、および昇圧回路23の作動を制御する充電回路22bを有する。これらの回路22a、22bは、マイコン21から出力された噴射指令信号に基づき作動する。噴射指令信号は、燃料噴射弁10のコイル13への通電状態を指令する信号であり、先述した目標噴射量および目標噴射開始時期と、後述するコイル電流検出値Iとに基づき、マイコン21により設定される。噴射指令信号には、後述する噴射信号、ブースト信号およびバッテリ信号が含まれている。
昇圧回路23は、コイル23a、コンデンサ23b、ダイオード23cおよびスイッチング素子SW1を有する。スイッチング素子SW1がオン作動とオフ作動を繰り返すように充電回路22bがスイッチング素子SW1を制御すると、バッテリ端子Battから印加されるバッテリ電圧がコイル23aにより昇圧(ブースト)されて、コンデンサ23bに蓄電される。このように昇圧されて蓄電された電力の電圧が「ブースト電圧」に相当する。
そして、噴射駆動回路22aがスイッチング素子SW2、SW4をともにオン作動させると、燃料噴射弁10のコイル13へブースト電圧が印加される。一方、スイッチング素子SW2をオフ作動させてスイッチング素子SW3をオン作動させるように切り替えると、燃料噴射弁10のコイル13へバッテリ電圧が印加される。コイル13への電圧印加を停止させる場合には、スイッチング素子SW2、SW3、SW4をオフ作動させる。ダイオード24は、スイッチング素子SW2のオン作動時に、ブースト電圧がスイッチング素子SW3に印加されることを防止するためのものである。
シャント抵抗25は、スイッチング素子SW4を流れる電流、つまりコイル13を流れる電流(コイル電流)を検出するためのものであり、マイコン21は、シャント抵抗25で生じた電圧降下量に基づき、先述したコイル電流検出値Iを検出する。
次に、コイル電流を流すことにより生じる電磁吸引力(開弁力)について、詳細に説明する。
固定コア14で生じさせる起磁力(アンペアターン)が大きいほど、電磁吸引力は大きくなる。つまり、コイル13の巻き数が同じであれば、コイル電流を多くしてアンペアターンを大きくするほど電磁吸引力は大きくなる。但し、通電を開始してから吸引力が飽和して最大値になるまでには時間がかかる。本実施形態では、このように飽和して最大値になった時の電磁吸引力を、静的吸引力Fbと呼ぶ。
また、弁体12が開弁作動を開始するのに必要な電磁吸引力を、必要開弁力Faと呼ぶ。なお、燃料噴射弁10に供給される燃料の圧力が高いほど、弁体12が開弁作動を開始するのに必要な電磁吸引力(必要開弁力)は大きくなる。また、燃料の粘性が大きい場合等、各種状況に応じて必要開弁力は大きくなる。そこで、必要開弁力が最も大きくなる状況を想定した場合の必要開弁力の最大値を、必要開弁力Faと定義する。
図3(a)は、弁体12を1回開弁させて燃料噴射を実施した場合における、コイル13への印加電圧波形を示す。なお、図3(a)(b)中の実線はコイル13が常温である場合の波形、図中の点線はコイル13が高温である場合の波形を示す。
図示されるように、噴射指令信号により指令される電圧印加開始時期(t10参照)に、ブースト電圧を印加して通電を開始させている。すると、通電開始に伴いコイル電流が上昇する(図3(b)参照)。そして、コイル電流検出値Iが第1目標値I1に達した時点(t20参照)で通電をオフさせている。要するに、初回の通電によるブースト電圧印加により、第1目標値I1までコイル電流を上昇させるように制御する。このように制御している時のマイコン21は「上昇制御手段21a」に相当する。また、第1目標値I1が「所定の閾値」に相当する。
その後、第1目標値I1よりも低い値に設定された第2目標値I2にコイル電流が維持されるように、バッテリ電圧による通電を制御する。具体的には、コイル電流検出値Iと第2目標値I2との乖離が所定幅以内となるよう、バッテリ電圧による通電オンオフを繰り返すことで、変動するコイル電流の平均値が第2目標値I2に保持されるようにデューティ制御する。このように制御している時のマイコン21は「定電流制御手段21b」に相当する。第2目標値I2は、静的吸引力Fbが必要開弁力Fa以上となるような値に設定されている。
その後、第2目標値I2よりも低い値に設定された第3目標値I3にコイル電流が維持されるように、バッテリ電圧による通電を制御する。具体的には、コイル電流検出値Iと第3目標値I3との乖離が所定幅以内となるよう、バッテリ電圧による通電オンオフを繰り返すことで、変動するコイル電流の平均値が第3目標値I3に保持されるようにデューティ制御する。このように制御している時のマイコン21は「ホールド制御手段21c」に相当する。
図3(c)に示すように、電磁吸引力は、通電開始時点、つまり上昇制御開始時点(t10)から、定電流制御終了時点(t40)までの期間に上昇し続ける。なお、電磁吸引力の上昇速度は、上昇制御期間よりも定電流制御期間の方が遅い。ホールド制御期間(t50〜t60)では吸引力が所定値に保持される。開弁状態を保持するのに必要な開弁保持力Fcよりも上記所定値が高くなるよう、第3目標値I3は設定されている。なお、開弁保持力Fcは必要開弁力Faよりも小さい。
噴射指令信号に含まれる噴射信号は、通電時間Tiを指令するパルス信号であり、目標噴射開始時期よりも所定の噴射遅れ時間だけ早い時期(t10)にパルスオン時期が設定されている。そして、パルスオンしてから通電時間Tiが経過した通電終了時期(t60)にパルスオフ時期が設定されている。この噴射信号にしたがってスイッチング素子SW4は作動する。
噴射指令信号に含まれるブースト信号は、ブースト電圧による通電オンオフを指令するパルス信号であり、噴射信号のパルスオンと同時にパルスオンする。その後、コイル電流検出値Iが第1目標値I1に達するまでの期間、ブースト信号はオンとなる。これにより、上昇制御期間においてブースト電圧がコイル13に印加される。
噴射指令信号に含まれるバッテリ信号は、定電流制御の開始時点t30でパルスオンする。その後、通電開始からの経過時間が所定時間に達するまでの期間、コイル電流検出値Iが第2目標値I2に保持されるようにフィードバック制御するよう、バッテリ信号はオンオフを繰り返す。さらにその後、噴射信号のパルスオフまでの期間、コイル電流検出値Iが第3目標値I3に保持されるようにフィードバック制御するよう、バッテリ信号はオンオフを繰り返す。このバッテリ信号にしたがってスイッチング素子SW3は作動する。
図3(d)に示すように、通電開始時点(t10)から噴射遅れ時間が経過した時点、つまり吸引力が必要開弁力Faに達したt1時点で弁体12は開弁作動を開始する。図中の符号t3は、弁体12が最大開弁位置(フルリフト位置)に達したタイミングを示し、図中の符号t4は、弁体12が閉弁を開始するタイミングを示す。また、通電終了時期(t60)から遅れ時間が経過した時点、つまり吸引力が開弁保持力Fcにまで低下したt4時点で弁体12は閉弁作動を開始する。
なお、図3(a)の例では、噴射終了指令時期と同時に、正負を逆転させた電圧をコイル13に印加している。これにより、通電時間Ti(t10〜t60)におけるコイル電流とは逆向きにコイル電流が流れ、弁体12の閉弁速度増大が図られる。つまり、通電終了時期t60から、弁体12が着座して閉弁するt5時点までの閉弁遅れ時間を短くできる。このような通電終了時期t60以降の逆電圧印加は、後述する通電時間算出手段S40により算出される通電時間Tiには含まれず、Ti−q特性線の通電時間Tiにも含まれない。
図3(e)は、通電時間Tiと噴射量qとの関係を表す特性線を表しており、(a)〜(d)の経過時間と通電時間Tiとを合わせて記載している。例えば、コイル電流を第2目標値I2に保持している最中であるt31時点(図3(a)参照)を、通電時間の終了時期に設定して噴射信号のパルスをオフさせる。すると、図3(c)(d)中の点線に示すように、t31時点で、吸引力が低下を開始するとともに弁体12が閉弁作動を開始する。この場合の噴射量は、図3(d)に示す特性線のうちt31に対応する噴射量q31である。
なお、燃料噴射弁10へ供給される燃料の圧力(燃圧Pc)は、図1に示す燃圧センサ30により検出されている。ECU20は、燃圧センサ30により検出された燃圧Pcに応じて、上述した定電流制御を実施するか否かを判定する。例えば、燃圧Pcが所定の閾値Pth以上である場合には、定電流制御を許可する。一方、燃圧Pcが所定の閾値Pth未満である場合には、開弁作動を開始するのに必要な電磁吸引力は小さくなるため、定電流制御を実施せず、上昇制御の後にホールド制御を実施する。
なお、図3(d)(e)に示すように、弁体12が最大開弁位置に達したt3時点以降は、Ti−q特性線の傾きが小さくなる。Ti−q特性線のうちt1〜t3期間における領域を「パーシャル領域A1」と呼び、t3以降の領域を「フルリフト領域A2」と呼ぶ。つまり、パーシャル領域A1では、最大開弁位置に達する前に弁体12が閉弁作動を開始して、微少量(符号q31参照)の燃料が噴射される。
さて、コイル13の温度が変わると、コイル13の抵抗値が変わるため、Ti−q特性線の形状も変わる。図4は、温度に応じて変化するTi−q特性線の形状を示す試験結果である。図中の特性線L1は常温で試験した結果を示す。特性線L2は80℃相当の抵抗を介してコイル13に電流を流して試験した結果を示す。特性線L3は140℃相当の抵抗を介してコイル13に電流を流した場合の試験結果を示す。
この試験結果から、本発明者らは次の知見を得た。すなわち、パーシャル領域A1において、後述するピーク出現範囲W1よりも短い通電時間の領域(減少領域)では、コイル温度が高いほど通電時間に対する噴射量が減少する。その一方で、パーシャル領域A1において、ピーク出現範囲W1よりも長い通電時間の領域(増加領域)では、コイル温度が高いほど通電時間に対する噴射量が増加する。
次に、ピーク出現範囲W1について説明する。図5は、上昇制御手段21aおよび定電流制御手段21bの制御により生じたコイル電流の変化(電流波形)を試験して計測した結果を示す。この試験では、定電流制御手段21bによりコイル電流が第2目標値I2に保持されているt31時点で通電を終了させており、パーシャル領域A1の噴射量に対応した通電時間Tiに設定されている。
図中の電流波形L10は常温で試験した結果を示す。電流波形L20は80℃相当の抵抗を介してコイル13に電流を流して試験した結果を示す。電流波形L30は140℃相当の抵抗を介してコイル13に電流を流した場合の試験結果を示す。図中の符号t21、t22、t23は、上昇制御手段21aを終了してブースト電圧の印加を停止したことに伴い、電流がピーク値になる時期を示す。
図5に示されるように、コイル温度が高いほど電流が第1目標値I1に達するまでの時間が長くなり、ピーク値の出現時期が遅くなっている。これは、コイル温度が高いほどコイル13の抵抗が高くなることに起因する。したがって、ピーク値の出現時期t21、t22、t23より前に通電を終了させると、コイル温度が高いほどその通電時間Tiに対する噴射量が減少する。つまり、図4のピーク出現範囲W1よりも短い側の通電時間Tiでは、3本の特性線L1、L2、L3のうち低温時の特性線L1が高温時の特性線L3よりも上側に位置する。
しかしながら、パーシャル領域A1において、ピーク値の出現時期t21、t22、t23より後に通電を終了させると、高温時の電流波形L30の場合には、ピーク値の出現時期t23の直後に通電終了する。そのため、通電終了時に残存する磁束が多いので、弁体12の閉弁速度が遅い。よって、実際の開弁時間が長くなり、噴射量が多くなる。これに対し、低温時の電流波形L10の場合には、ピーク値の出現時期t21から通電終了までの時間が高温時に比べて長い。そのため、通電終了時に残存する磁束が少ないので、弁体12の閉弁速度が高温時に比べて速い。よって、実際の開弁時間が高温時に比べて短くなり、噴射量が少なくなる。
つまり、パーシャル領域A1において、図4のピーク出現範囲W1よりも長い側の通電時間Tiでは、3本の特性線L1、L2、L3のうち高温時の特性線L3が低温時の特性線L1よりも上側に位置する。すなわち、通電時間Tiをピーク出現範囲W1より短く設定した場合には、コイル温度が高いほど通電時間に対する噴射量が減少する。一方、通電時間Tiをピーク出現範囲W1より長く設定した場合には、コイル温度が高いほど通電時間に対する噴射量が増加する。つまり、ピーク出現範囲W1を境に、通電時間Tiに対する噴射量の温度に依存した増減が入れ替わる。
本実施形態では、通電時間Tiの終了時期t31、t60がピーク出現範囲W1よりも遅い側の時期になるように、図4中の符号B1に示す領域で通電時間Tiを設定している。以下、図6を用いて通電時間Tiの算出の手順について説明する。
図6は、マイコン21がプログラムにしたがって所定時間周期で繰り返し実行する処理の手順を示すフローチャートである。先ず、ステップS10において、現時点における内燃機関の単位時間当りの回転数NEおよび負荷を取得する。上記負荷の具体例としては、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量、吸気流量または吸気負圧等が挙げられる。
次のステップS20では、1つの気筒に対して1燃焼サイクル中に噴射する燃料の総量の目標値(総目標噴射量)を、取得した回転数NEおよび負荷に基づき算出する。次のステップS30では、1燃焼サイクル中に噴射する回数であって総目標噴射量の分割数、および燃料噴射弁10の1回の開弁で噴射される燃料の目標噴射量を、算出した総目標噴射量に基づき設定する。1燃焼サイクルにて分割された各々の噴射に係る目標噴射量の合計が、総目標噴射量に一致する。
次のステップS40では、設定された各々の目標噴射量に対して通電時間Tiを算出する。詳細には、先ずステップS41において、目標噴射量に応じた通電時間Tiのベース値を設定する。具体的には、−30℃から200℃までが想定される使用温度範囲である場合において、その中央温度におけるTi−q特性線に係るマップをマイコン21に予め記憶させておく。そして、上記マップに基づき、噴射量に対する通電時間Tiの値をベース値として設定する。
続くステップS42では、コイル13の温度を推定する。例えば、上昇制御手段21aによりコイル電流が第1目標値I1まで上昇するのに要する時間は、コイル温度と相関性が高い。そこで、上記時間を検出し、その時間に基づきコイル温度を推定する。
続くステップS43では、推定したコイル温度に基づき、通電時間Tiのベース値に対する補正値を算出する。パーシャル領域A1における通電時間Tiの設定領域B1では、図4に示すように高温であるほど噴射量が増加しているので、上記補正値は、高温であるほどベース値が短く補正される値に設定されている。続くステップS44では、ステップS41で設定した通電時間Tiのベース値に、ステップS43で算出した補正値を加算して得られた値を、通電時間Tiとして算出する。
なお、ベース値がパーシャル領域A1である場合には上記補正値を算出して通電時間Tiを補正する。これに対し、フルリフト領域A2である場合には、温度に応じて生じる噴射量の変化が極めて小さいので、ベース値がフルリフト領域A2である場合には上記補正値の算出および補正を実施しない。
そして、ステップS40にて設定される通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1よりも遅い時期になるように、ステップS30では目標噴射量および分割数を設定している。つまり、分割数を調整することで、終了時期t31がピーク出現範囲W1よりも遅い時期になるように目標噴射量を設定する。
また、パーシャル領域A1における微少噴射量を、目標噴射量の設定範囲に含ませることが可能となるように、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1が設定されている。すなわち、コイル13の抵抗値が大きいほど、或いはブースト電圧が小さいほど、或いは第1目標値I1が小さいほど、ピーク出現範囲W1は通電時間Tiの長い側に位置することとなる。すると、ピーク出現範囲W1よりも遅い側に、パーシャル領域A1が存在しなくなる事態に陥る場合が生じる。このような事態に陥らないよう、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1は設定されている。
なお、ステップS40の処理を実行している時のマイコン21が「通電時間算出手段」に相当し、ステップS30の処理を実行している時のマイコン21が「目標噴射量設定手段」に相当する。
以上に説明した本実施形態によると、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1から外れた時期になるように、図6のステップS30にて目標噴射量は設定される。そのため、目標噴射量に対応する通電時間Tiのベース値を温度補正するにあたり、高温であるほど増加補正するべきか減少補正するべきかが一義的に特定されるようになる。よって、同一の目標噴射量に対して、高温であるほど増加補正する場合と減少補正する場合とに切り替えることを不要にできる。したがって、補正の増減を逆にしてしまう懸念を解消できるので、燃料噴射量を高精度で制御できるようになる。
さらに本実施形態によると、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1よりも遅い側の時期になるように、目標噴射量は設定される。ここで、本実施形態に反して終了時期t31がピーク出現範囲W1よりも早い側の時期になるように目標噴射量を設定すると、ピーク出現範囲W1を十分に遅い時期にする必要がある。すると、コイル13の抵抗値を大きくし、ブースト電圧を低くし、第1目標値I1を低くすることを要する。すると、通電を開始してから弁体12が開弁作動を開始するまでの開弁応答遅れ時間が長くなり、燃料噴射弁10の作動の応答性が悪化する。この点を鑑み、本実施形態では、通電時間Tiの終了時期t31をピーク出現範囲W1よりも遅い側の時期にしているので、上述した応答性悪化の問題を回避できる。
さらに本実施形態によると、終了時期t31がピーク出現範囲W1から外れるといった条件を満たしつつ、パーシャル領域A1における微少噴射量を目標噴射量の設定範囲に含ませることが可能となるように、次の値を設定している。すなわち、コイル13の抵抗値を十分に小さく設定し、ブースト電圧を十分に高く設定し、第1目標値I1(つまり電流ピーク値)を十分に高く設定している。これによれば、パーシャル領域A1において、特性線L1、L2、L3の温度によるバラツキ量を小さくできる。よって、パーシャル領域A1における温度補正の精度を向上できる。
なお、コイル電流がピーク値になる時期t20は、電磁吸引力の上昇傾きが小さくなるように変化する変化点Pf(図3(c)参照)が現れる時期と一致する。そのため、ピーク出現範囲W1は、使用温度範囲において電磁吸引力の変化点Pfが出現し得る範囲である変化点出現範囲とも言える。したがって、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1から外れた時期になるように目標噴射量を設定するということは、終了時期t31が変化点出現範囲から外れた時期になるように目標噴射量を設定する、と換言することもできる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲から外れた時期になるように、図6のステップS30にて目標噴射量を設定している。これに対し本実施形態では、通電時間Tiの終了時期t31が以下に説明するクロス点出現範囲W2、W3から外れた時期になるように、目標噴射量を設定している。
すなわち、図7に示すように、特性線L1、L2、L3が互いに交差する点をクロス点P1、P2と呼ぶ。図7では、特性線L1と特性線L2のクロス点、特性線L1と特性線L3のクロス点、および特性線L2と特性線L3のクロス点のそれぞれが同じ位置(符号P1、P2の位置)に図示されている。しかし、厳密にはこれらのクロス点は異なる位置に出現する。そして、コイル13の使用温度範囲に応じてクロス点P1、P2が出現し得る範囲が、クロス点出現範囲W2、W3である。なお、コイル13の使用温度範囲の具体例として、−30℃から200℃の使用範囲が挙げられる。
上記第1実施形態では、終了時期t31を外す範囲がピーク出現範囲W1の1箇所であるのに対し、本実施形態では、クロス点出現範囲W2、W3が2箇所に存在しており、終了時期t31を外す範囲が2箇所である。具体的には、図7中の符号B2、B3に示す領域で通電時間Tiを設定している。1つのクロス点出現範囲W2は、ピーク出現範囲W1と部分的に重複する。1つのクロス点出現範囲W3には、パーシャル領域A1とフルリフト領域A2との境界が含まれる。
以上に説明した本実施形態によると、通電時間Tiの終了時期t31がクロス点出現範囲W2、W3から外れた時期になるように、目標噴射量は設定される。そのため、目標噴射量に対応する通電時間Tiのベース値を温度補正するにあたり、高温であるほど増加補正するべきか減少補正するべきかが一義的に特定されるようになる。よって、同一の目標噴射量に対して、高温であるほど増加補正する場合と減少補正する場合とに切り替えることを不要にできる。したがって、補正の増減を逆にしてしまう懸念を解消できるので、燃料噴射量を高精度で制御できるようになる。
さらに本実施形態では、終了時期t31がクロス点出現範囲W2、W3から外れるといった条件を満たしつつ、パーシャル領域A1における微少噴射量を目標噴射量の設定範囲に含ませることが可能となるように、次の値を設定している。すなわち、コイル13の抵抗値を十分に小さく設定し、ブースト電圧を十分に高く設定し、第1目標値I1(つまり電流ピーク値)を十分に高く設定している。これによれば、パーシャル領域A1において、特性線L1、L2、L3の温度によるバラツキ量を小さくできる。よって、パーシャル領域A1における温度補正の精度を向上できる。
(第3実施形態)
本実施形態は第1実施形態の変形例である。本実施形態では、図8に示すように、マイコン21が以下に説明するプレチャージ制御手段21dを提供する。すなわち、上昇制御手段21aによるブースト電圧の印加に先立ち、バッテリ電圧をコイル13へ印加するプレチャージを実施するよう、マイコン21は集積IC22を制御する。このように制御している時のマイコン21は「プレチャージ制御手段21d」に相当する。
プレチャージを実施するようマイコン21により制御された集積IC22は、スイッチング素子SW4をオン作動させるとともに、コイル電流が第4目標値I4に維持されるようにスイッチング素子SW4をオンオフ作動させる(図9(a)参照)。第4目標値I4は第3目標値I3よりも小さい値に設定されている(図9(b)参照)。詳細には、上昇制御開始のt10時点より所定時間前に設定されたt0時点で、バッテリ電圧をコイル13へ印加するプレチャージ制御を開始している。これにより、上昇制御開始に先立ち、吸引力が上昇を開始している(図9(c)参照)。
このようなプレチャージ制御を実施することにより、上昇制御においてコイル電流を第1目標値I1まで上昇させるのに要する、ブースト電圧印加期間を短くできる。そのため、昇圧回路23での発熱量を低減でき、ECU20の熱損傷のおそれを低減できる。
そして、本実施形態においても上記第1実施形態と同様にして、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1から外れた時期になるように、目標噴射量は設定される。さて、プレチャージ制御を実施すると、上昇制御によりコイル電流を第1目標値I1まで上昇させるのに要する時間が短くなる。よって、コイル電流のピーク値の出現時期が早くなり、ピーク出現範囲W1が早期側にずれる。そのため、図4に示す設定領域B1を早期側に拡大することができ、設定可能な通電時間Tiの最小値を小さくできる。
したがって、以上に説明した本実施形態によれば、補正の増減を逆にしてしまう懸念を解消して燃料噴射量を高精度で制御可能にするとともに、設定可能な目標噴射量の最小値を小さくできるようになる。
(第4実施形態)
上記第3実施形態では、プレチャージ制御手段21dを備えた上で、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1から外れた時期になるように、目標噴射量を設定している。これに対し本実施形態では、上記第3実施形態と同様にしてプレチャージ制御手段21dを備え、かつ、上記第2実施形態と同様にして、通電時間Tiの終了時期t31がクロス点出現範囲W2、W3から外れた時期になるように、目標噴射量を設定している。
したがって、本実施形態によっても、上記第3実施形態と同様の効果が得られる。つまり、補正の増減を逆にしてしまう懸念を解消して燃料噴射量を高精度で制御可能にするとともに、設定可能な目標噴射量の最小値を小さくできるようになる。
(第5実施形態)
上記第1実施形態と第2実施形態とでは、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1の設定が同じである。したがって、図4に示す特性線L1、L2、L3と図7に示す特性線L1、L2、L3は同じである。これに対し本実施形態では、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1の設定を変更しており、図10に示すように、図4および図7とは異なる形状の特性線L4に設定している。そのため、図4に示すピーク出現範囲W1がパーシャル領域A1の中央よりも短時間側に位置しているのに対し、図10に示すピーク出現範囲W4はパーシャル領域A1の中央よりも長時間側に位置している。
さらに、上記第1実施形態では、通電時間Tiの終了時期t31がピーク出現範囲W1よりも遅い側の時期になるように、図4中の符号B1に示す領域で通電時間Tiを設定している。これに対し本実施形態では、ピーク出現範囲W4よりも早い側の領域(符号B4参照)と、遅い側の領域(符号B5参照)の両方で、通電時間Tiを設定している。但し、遅い側の領域B5は、パーシャル領域A1を含まないように設定されている。したがって、パーシャル領域A1では領域B4で終了時期t31が設定され、フルリフト領域A2では領域B5で終了時期t60が設定される。
(他の実施形態)
以上、発明の好ましい実施形態について説明したが、発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、以下に例示するように種々変形して実施することが可能である。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
例えば、上述した図3および図10に示す例では、ピーク出現範囲W1、W4がパーシャル領域A1に位置するように、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1が設定されている。これに対し、ピーク出現範囲W1、W4がフルリフト領域A2に位置するように、コイル13の抵抗値、ブースト電圧および第1目標値I1を設定してもよい。
例えば、実際に噴射された量を推定する噴射量推定手段を備えるとともに、推定された実噴射量と目標噴射量との偏差を学習して、次回の通電時間Tiの設定にフィードバックするフィードバック制御手段を備えさせてもよい。また、このようなフィードバックを実施しない燃料噴射制御装置において、通電時間Tiの終了時期t31、t60がピーク出現範囲W1、W4またはクロス点出現範囲W2、W3から外れた時期になるように目標噴射量を設定してもよい。なお、噴射量推定手段の具体例として、弁体12が実際に開弁した時期および閉弁した時期を検出し、その検出結果、および燃圧センサ30によりにより検出された燃圧Pcに基づき実噴射量を推定することが挙げられる。
例えば、図3および図9に示す実施形態では、コイル電流が第1目標値I1に達した時点(t20)で通電を一時的に停止させ、その後、第2目標値I2にまで低下した時点で通電を再開している。したがって、コイル電流が第1目標値I1に達した時点(t20)がピーク出現時期である。これに対し、コイル電流が第1目標値I1に達した時点でブースト電圧からバッテリ電圧に切り替えて通電を継続させ、上昇したコイル電流を第1目標値I1のまま所定時間保持させてもよい。この場合、ブースト電圧からバッテリ電圧に切り替えた時期がピーク出現時期に相当する。
例えば、上記実施形態に係る燃料噴射弁10は、図1に示すように、シリンダヘッド3に取り付けられているが、シリンダブロックに取り付けられた燃料噴射弁を適用対象としてもよい。また、上記実施形態では、点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)に搭載された燃料噴射弁10を適用対象としているが、圧縮自着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)に搭載された燃料噴射弁を対象としてもよい。さらに、上記実施形態では、燃焼室2へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁を制御対象としているが、吸気管へ燃料を噴射する燃料噴射弁を制御対象としてもよい。
例えば、燃料噴射弁10に供給される燃圧Pcが高いほど、開弁に要する力が大きくなるので、燃圧Pcが高いほど第1目標値I1および第2目標値I2を高い値にするように可変設定してもよい。或いは、供給燃圧に拘わらずこれらの目標値I1、I2を予め設定した値に固定してもよい。
10…燃料噴射弁、12…弁体、13…コイル、23…昇圧回路、21a…上昇制御手段、L1、L2、L3…特性線、P1、P2…クロス点、S30…目標噴射量設定手段、S40…通電時間算出手段、t31、t60…終了時期、W1、W4…ピーク出現範囲、W2、W3…クロス点出現範囲。

Claims (7)

  1. コイル(13)へ通電して生じた電磁吸引力により弁体(12)を開弁作動させて、内燃機関の燃焼に用いる燃料を噴射する燃料噴射弁(10)に適用された燃料噴射制御装置において、
    前記燃料噴射弁の1回の開弁で噴射される燃料の目標噴射量を設定する目標噴射量設定手段(S30)と、
    前記目標噴射量に応じた前記コイルへの通電時間を算出する通電時間算出手段(S40)と、
    バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路(23)と、
    前記通電時間の開始に伴い、前記昇圧回路により昇圧されたブースト電圧を前記コイルへ印加して、前記コイルを流れる電流を所定の閾値まで上昇させる上昇制御手段(21a)と、
    を備え、
    前記閾値まで上昇して電流がピーク値になる時期が、前記コイルの使用温度範囲に応じて出現し得る範囲をピーク出現範囲(W1、W4)と呼ぶ場合に、
    前記通電時間の終了時期(t31、t60)が前記ピーク出現範囲から外れた時期になるように、前記目標噴射量設定手段は前記目標噴射量を設定することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  2. 前記通電時間の終了時期が前記ピーク出現範囲よりも遅い側の時期になるように、前記目標噴射量設定手段は前記目標噴射量を設定することを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射制御装置。
  3. 前記上昇制御手段によるブースト電圧の印加に先立ち、バッテリ電圧を前記コイルへ印加するプレチャージを実施した場合に、前記通電時間の終了時期が前記ピーク出現範囲から外れた時期になるように、前記目標噴射量設定手段は前記目標噴射量を設定することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料噴射制御装置。
  4. コイル(13)へ通電して生じた電磁吸引力により弁体(12)を開弁作動させて、内燃機関の燃焼に用いる燃料を噴射する燃料噴射弁(10)に適用された燃料噴射制御装置において、
    前記燃料噴射弁の1回の開弁で噴射される燃料の目標噴射量を設定する目標噴射量設定手段(S30)と、
    前記目標噴射量に応じた前記コイルへの通電時間を算出する通電時間算出手段(S40)と、
    バッテリ電圧を昇圧する昇圧回路(23)と、
    前記通電時間の開始に伴い、前記昇圧回路により昇圧されたブースト電圧を前記コイルへ印加して、前記コイルを流れる電流を所定の閾値まで上昇させる上昇制御手段(21a)と、
    を備え、
    前記通電時間と噴射量との関係を表す特性線(L1、L2、L3)であって前記コイルの使用温度毎に異なる特性線が互いに交差する点をクロス点(P1、P2)と呼び、前記クロス点が前記コイルの使用温度範囲に応じて出現し得る範囲をクロス点出現範囲(W2、W3)と呼ぶ場合に、
    前記通電時間の終了時期(t31、t60)が前記クロス点出現範囲から外れた時期になるように、前記目標噴射量設定手段は前記目標噴射量を設定することを特徴とする燃料噴射制御装置。
  5. 前記上昇制御手段によるブースト電圧の印加に先立ち、バッテリ電圧を前記コイルへ印加するプレチャージを実施した場合に、前記通電時間の終了時期が前記クロス点出現範囲から外れた時期になるように、前記目標噴射量設定手段は前記目標噴射量を設定することを特徴とする請求項4に記載の燃料噴射制御装置。
  6. 前記弁体が開弁作動を開始してから最大開弁位置に達する前に閉弁作動を開始することとなる微少噴射量を、前記目標噴射量設定手段による前記目標噴射量の設定範囲に含ませることが可能となるように、前記コイルの抵抗値、前記ブースト電圧および前記閾値が設定されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の燃料噴射制御装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の燃料噴射制御装置(20)と、
    前記燃料噴射弁と、
    を備えることを特徴とする燃料噴射システム。
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