JP2016098778A - 燃料噴射弁の学習制御装置および学習制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微小噴射量における燃料噴射弁１５の噴射量特性を適切に学習する。【解決手段】燃料噴射弁１５に入力されるパルス幅が、ＰＩ制御部３１によって調節される。燃料噴射弁１５から出力される制御量として、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間ｔが計測される。比較部３２には、あるパルス幅に対応するピークリフト量（ｘ2）が目標値として与えられる。検出部３３では、計測した所要時間ｔから（２０）式に基づいて「ｘ2」を演算し、フィードバック量として比較部３２へ戻す。従って、計測された所要時間ｔに対応するピークリフト量（ｘ2）が目標とするピークリフト量（目標ｘ2）に収束するように、パルス幅のＰＩ制御が実行される。そして、適当に安定している状態において、Ｉ分演算部３１ｂにおけるＩ分を学習補正値として記憶・学習する。【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関等に用いられる燃料噴射弁の噴射量特性を学習補正する学習制御装置および学習制御方法に関する。

例えば内燃機関に用いられる燃料噴射弁として、スプリングによって常時閉方向に付勢されている弁体をソレノイドによって開方向に駆動する形式の燃料噴射弁が公知であり、この種の燃料噴射弁では、基本的に、ソレノイドに印加される駆動パルスのパルス幅にほぼ比例した量の燃料が噴射される。そのため、上記のパルス幅でもって燃料の計量が行われる。

しかしながら、燃料噴射弁には、スプリングのばらつきやソレノイドコイルのばらつきなどに起因する個体差が存在し、必ずしも入力したパルス幅に対し所期の噴射量を得ることができない。特に、噴射量が少ない極短いパルス幅に対しては、噴射量のばらつきが相対的に大きなものとなる。

特許文献１には、このような微小噴射量領域での個々の燃料噴射弁の流量特性を学習補正するために、アイドル時に、現在のエンジン回転速度と目標の回転速度との偏差に応じた回転数フィードバック補正値を各気筒毎に演算し、複数回の燃焼サイクルに亘る平均値を各気筒毎に求めることが記載されている。そして、上記の気筒毎の平均値が、燃料噴射量のばらつきを学習補正する学習値として用いられる。

特開２００１−９８９８５号公報

特許文献１の技術は、各気筒の燃料噴射弁の噴射量ばらつきに伴うクランクシャフト１回転中の微小な回転速度変動を検出するものと思われるが、このような方式では、個々の燃料噴射弁の特性ばらつきを直接に検出することはできず、複数の燃料噴射弁の中で相対的に噴射量が多いか少ないかが検出できるに過ぎない。しかも、アイドル時のような噴射量が少ない条件下では、個々の気筒で生じるトルクが小さいことから、噴射量の比較的小さなばらつきは、回転速度変動となって現れず、検出することが困難である。

この発明は、スプリングによって常時閉方向に付勢されている弁体をソレノイドによって開方向に駆動するように構成された燃料噴射弁の学習制御装置ないし学習制御方法であって、
学習を行うときに、上記弁体がリフト側のストッパに衝突しない範囲のパルス幅でもって上記燃料噴射弁を駆動し、
上記ソレノイドによって駆動された上記弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間を計測し、
この所要時間とパルス幅との関係からパルス幅学習補正値を求める、ことを特徴としている。

要求される噴射量がある程度大きなときつまりソレノイドに与えられるパルス幅がある程度大きなときには、弁体はリフト側のストッパに衝突して位置が規制されるフルリフト位置までリフトする。これに対し、要求される噴射量が微小量でパルス幅が極短いときには、リフト側のストッパに到達する前に、弁体の運動方向が開方向から閉方向に反転する。このようにストッパに衝突することなくピークリフトから着座位置まで弁体が戻ってくる状況の下では、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間は、種々のばらつきがなければ、パルス幅に対し一定のものとなる。これに対し、スプリングのばらつきやソレノイドコイルのばらつき等が存在すると、ピークリフトの位置そのものも影響を受け、また閉方向の弁体の運動にも影響するので、上記の所要時間が変化する。

従って、計測された所要時間とソレノイドに与えたパルス幅との関係からパルス幅学習補正値を求めることができる。

この発明によれば、燃料噴射弁の実際の燃料噴射量を左右する弁体の挙動を所期の特性に合わせるようにパルス幅学習補正値が求められることとなり、燃料噴射弁の個々に適切な学習補正を行うことができる。

この発明を適用した内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 燃料噴射弁のパルス幅と噴射量との関係を示した特性図。 バネ−マス系の説明図。 燃料噴射弁のフィードバックループのブロック図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明を適用した内燃機関１のシステム構成を示す構成説明図である。この内燃機関１は、例えば筒内直接噴射式火花点火内燃機関であって、ピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁（図示せず）を介して吸気通路４が接続され、かつ排気弁（図示せず）を介して排気通路５が接続されている。上記吸気通路４には、吸入空気量を検出するエアフロメータ６が配設されているとともに、制御信号によりアクチュエータ８を介して開度制御される電子制御スロットル弁７が配設されている。排気通路５には、排気浄化用の触媒コンバータ１０が配設されているとともに、その上流側および下流側にそれぞれ空燃比センサ１１，１２が設けられており、さらに、上流側の空燃比センサ１１と並んで、触媒コンバータ１０入口側での排気温度を検出する排気温度センサ１３が設けられている。

燃焼室３の中央頂上部には、点火プラグ１４が配置されている。また、燃焼室３の吸気通路４側の側部に、該燃焼室３内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１５が配置されている。この燃料噴射弁１５は、詳細には図示しないが、噴口上流の着座面とリフト側のストッパとの間で摺動可能な弁体と、この弁体を常時閉方向に付勢するコイルスプリングと、上記弁体を上記コイルスプリングの付勢力に抗して吸引してリフトさせるソレノイドと、を備えた公知の電磁式燃料噴射弁であって、上記ソレノイドに方形波状の駆動パルスが印加されると上記弁体がリフトし、噴口が開口する。この燃料噴射弁１５には、高圧燃料ポンプ１６およびプレッシャレギュレータ１７によって所定圧力に調圧された燃料が、高圧燃料通路１８を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１５が駆動パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。なお、１９は、燃圧を検出する燃圧センサ、２０は、上記高圧燃料ポンプ１６へ燃料を送る低圧燃料ポンプである。

また内燃機関１には、機関冷却水温を検出する水温センサ２１が設けられているとともに、クランク角を検出するクランク角センサ２２が設けられている。さらに、運転者によるアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２３が設けられている。

上記内燃機関１の燃料噴射量や噴射時期、点火時期、等は、コントロールユニット２５によって制御される。このコントロールユニット２５には、上述した各種のセンサ類の検出信号が入力されている。コントロールユニット２５は、これらの入力信号により検出される機関運転条件に応じて、電子制御スロットル弁７の開度、燃料噴射弁１５の燃料噴射時期および燃料噴射量、点火プラグ１４の点火時期、等を制御する。

ここで、燃料噴射量は、燃料噴射弁１５に印加される駆動パルスのパルス幅でもって計量される。印加したパルス幅に対する燃料噴射弁１５の噴射量特性にばらつきないし誤差があると、所期の噴射量が得られずに燃焼が変化し、また気筒間のトルクばらつき等が生じる。特に、パルス幅の小さな領域において、噴射量の誤差ないしばらつきの影響が大きくなる。そこで、本実施例では、一定期間毎、例えば車両の１０００ｋｍの走行毎に各気筒の燃料噴射弁１５の噴射量特性の学習補正を実行する。

以下、本発明の要部である噴射量特性の学習補正について詳細に説明する。

図２は、燃料噴射弁１５におけるパルス幅と流量（噴射量）との関係を模式的に描いた特性図である。図示するように基本的にパルス幅の増加に伴って噴射量が増加する傾向を有するが、パルス幅がＴ１よりも短い区間Ｑ１は、ソレノイドによりリフトした弁体がリフト側のストッパに衝突していないとみなし得る区間であり、初期の無効時間の期間を除き、パルス幅に対し基本的に比例的に噴射量が増加する。パルス幅がＴ１のときに弁体がリフト側のストッパに衝突し、バウンスするため、パルス幅がＴ１からＴ２までの区間Ｑ２では、僅かな流量減少が生じる。パルス幅がＴ２よりも大きな区間Ｑ３では、バウンスの影響が相対的に小さくなり、パルス幅に比例的に噴射量が増加する。

本発明は、弁体がリフト側のストッパに衝突しない区間Ｑ１の範囲内での弁体の挙動を所望の特性に揃えることで、燃料噴射弁１５のばらつきの学習補正を行うようにしたものであり、より具体的には、区間Ｑ１の範囲内で適宜なパルス幅が印加されたときに、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間を計測し、この所要時間とパルス幅との関係からパルス幅学習補正値を求めるのである。

初めに弁体の運動の方向について説明すると、ソレノイドコイルに電流Ｉを流した場合、電圧をＶ、ソレノイドコイルの自己インダクタンスをＬ、抵抗をＲ、生じる磁束をφ、適宜な定数をＫ、とすると、次の（１）式の関係が成り立つ。

ここで、弁体のリフト量（着座面からの距離）をｘとすると、

であるから、下記の（３）式の関係が得られる。

従って、電圧Ｖと電流Ｉを計測し、かつ（ｄＩ／ｄｔ）を算出もしくは微分回路にて計測すれば、（３）式から、弁体の速度に相当する（ｄｘ／ｄｔ）の正負を求めることができる。

この（ｄｘ／ｄｔ）の正負の反転から、弁体がピークリフトに達したタイミングを得ることができる。つまり、弁体の速度は、リフト中は正であり、ピークリフトに達して戻り始めると負に反転する。従って、正負が反転した瞬間がピークリフトとなる。

一方、弁体の着座面への着座は、何らかの手段で検知可能である。例えば、（ｄｘ／ｄｔ）が０となったときを着座と判定でき、あるいは、圧電素子等により物理的な着座を検出するようにしてもよい。

このようにして、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間ｔの計測が可能である。

次に、燃料噴射弁１５内での弁体のピークリフトに至るまでの状況は、図３に示すような、いわゆるバネ−マス系として考えることができる。弁体の位置をｘ、弁体を動かすためにソレノイドにより投入したエネルギをＥ、燃料の液圧による着座方向（閉方向）への力をｐ、コイルスプリングのばね定数をｋ、とすると、エネルギ保存則から「スプリングの位置エネルギ＋液圧に逆らってした仕事＝投入エネルギ」となるので、下記の（４）式の関係が得られる。なお、摩擦抵抗は、ここでは０とみなす。

これをｘについて解くと、下記の（５）式が得られる。

一方、図３のバネ−マス系を参照して、ソレノイドへの通電が終了し、燃料の液圧とコイルスプリングのばね力とでピークリフトから戻るときの状況を考察すると、弁体の質量をｍとして、下記（６）式の運動方程式が成立する。

ここで式の整理のために「ｍＸ＝ｘ＋ｐ／ｋ」とおくと、（６）式は下記の（７）式
のように変形することができる。

この微分方程式を解くと、下記（８）式が得られる。

ここで、ｔ＝０のとき、前記の（５）式および「ｍＸ＝ｘ＋ｐ／ｋ」から、

であり、また

であるから、Ｘは、下記の（１１）式のようになる。

「ｘ＝ｍＸ−ｐ／ｋ」であるから、（１１）式に基づき、ｘは、下記の（１２）式のようになる。

従って、弁体がピークリフト（ｘ）に達してからリフト量０になるまでの所要時間ｔについて下記（１３）式の関係が得られ、この（１３）式からさらに（１４）式、（１５）式が得られる。

ここで、液圧分ｐは、最終的なフィードバック制御で外乱として扱うことにより、「ｐ＝０」とおくことができる。従って、（１５）式は下記の（１６）式のように単純化できる。なお、弁体の質量ｍは既知である。

上記の（１６）式を変形することで、下記の（１７）式さらには（１８）式が得られる。

一方、前述の（１２）式は、「ｐ＝０」とすると、下記（１９）式のように単純化できる。

この（１９）式のｋに、（１８）式の右辺を代入すると、下記（２０）式の関係が得られる。

ここで、ソレノイドで投入されるエネルギＥは、下記の通りである。

つまり、パルス幅（通電時間）に基づいてエネルギＥを求めることができる。そして、一定のエネルギＥ（換言すれば一定のパルス幅）の下では、ピークリフトのリフト量ｘと所要時間ｔとの間に、（２０）式に示すような相関関係が存在する。

仮に、ソレノイドコイルの個体差やコイルスプリングのばね力のばらつき等が存在すると、（２０）式に示すような相関が崩れ、パルス幅に対する噴射量特性がばらついてしまう。

本発明では、弁体がリフト側のストッパに衝突しない範囲内で適当なパルス幅を与えたときに、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの実際の所要時間ｔを計測し、（２０）式の相関を利用して、噴射量特性の補正に必要なパルス幅学習補正値を求める。

図４は、一つの実施例として、必要な学習補正を行うためのフィードバックループの構成を示している。ここでは、制御対象となる燃料噴射弁１５に入力される操作量としてのパルス幅（通電時間）が、Ｐ分演算部３１ａおよびＩ分演算部３１ｂを含むＰＩ制御部３１によって調節されるが、燃料噴射弁１５から出力される制御量としては、前述したように、弁体がピークリフトに達してから着座するまでの計測された所要時間ｔが用いられる。一方、比較部３２には、目標値として、あるパルス幅に対応して「ｘ²」の値が与えられる。これは、目標とするピークリフト量（詳しくはその２乗）に相当する。そして、検出部３３では、計測した所要時間ｔから（２０）式に基づいて「ｘ²」を演算し、フィードバック量として比較部３２へ戻している。これは、計測した所要時間ｔから求まる実際のピークリフト量（詳しくはその２乗）に相当する。比較部３２では、目標とするピークリフト量（目標ｘ²）と実際のピークリフト量（ｘ²）との偏差を求めており、この偏差がＰＩ制御部３１へ入力される。

従って、このフィードバックループにおいては、計測された所要時間ｔに対応するピークリフト量（ｘ²）が目標とするピークリフト量（目標ｘ²）に収束するように、パルス幅のＰＩ制御が実行される。そして、適当に安定している状態において、Ｉ分演算部３１ｂにおけるＩ分（積分要素）を学習補正値として記憶・学習すればよい。この学習は、前述したように、例えば車両の１０００ｋｍ走行毎に実行される。つまり、アイドル時など噴射量が極小量に制御されていてパルス幅が所定範囲内（弁体がリフト側のストッパに衝突しない範囲内）に維持されているときを利用して、あるいは、強制的な学習を行うためにパルス幅を所定範囲内に一時的に制御することで、一定期間毎に学習補正値が演算される。通常の運転時には、この学習補正値を用いて、各燃料噴射弁１５へ与えるパルス幅が補正される。例えば、学習時に計測された所要時間ｔが短いほどパルス幅を長くする方向にパルス幅学習補正値が得られる。

なお、リフト量ｘと所要時間ｔとは互いに相関しているので、目標値としてピークリフト量（ｘ²）ではなく所要時間ｔそのものを設定するようにしてもよい。

以上、本発明の一実施例を詳細に説明したが、本発明は上記のような筒内直接噴射用の燃料噴射弁１５に限らず、ポート噴射型の燃料噴射弁の学習補正にも適用することが可能である。

１…内燃機関
１５…燃料噴射弁
３１…ＰＩ制御部
３２…比較部
３３…検出部

Claims (8)

1. スプリングによって常時閉方向に付勢されている弁体をソレノイドによって開方向に駆動するように構成された燃料噴射弁の学習制御装置であって、
   学習を行うときに、上記弁体がリフト側のストッパに衝突しない範囲のパルス幅でもって上記燃料噴射弁を駆動し、
   上記ソレノイドによって駆動された上記弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間を計測し、
   この所要時間とパルス幅との関係からパルス幅学習補正値を求める、ことを特徴とする燃料噴射弁の学習制御装置。
2. 計測された所要時間が短いほどパルス幅を長くする方向に上記パルス幅学習補正値が与えられることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
3. 所定期間が経過する毎に学習を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
4. 学習時のパルス幅に対応する目標所要時間を設定し、計測された所要時間が上記目標所要時間に収束するようにパルス幅をフィードバック制御することで、上記パルス幅学習補正値を求める、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
5. 学習時のパルス幅に対応する目標ピークリフトを設定し、計測された所要時間から算出されるピークリフトが上記目標ピークリフトに収束するようにパルス幅をフィードバック制御することで、上記パルス幅学習補正値を求める、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
6. 下記式における（ｄｘ／ｄｔ）の正負の反転から上記弁体がピークリフトに達したタイミングを求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
   

   

   但し、Ｖ：ソレノイドコイルの電圧
   Ｉ：ソレノイドコイルの電流
   Ｒ：ソレノイドコイルの抵抗
   Ｌ：ソレノイドコイルのインダクタンス
   Ｋ：適宜な定数
7. 下記式によりピークリフト（ｘ）と所要時間（ｔ）との関係を規定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料噴射弁の学習制御装置。
   

   

   但し、Ｅは、通電時間から定まるソレノイドによる投入エネルギである。
8. スプリングによって常時閉方向に付勢されている弁体をソレノイドによって開方向に駆動するように構成された燃料噴射弁の学習制御方法であって、
   学習を行うときに、上記弁体がリフト側のストッパに衝突しない範囲のパルス幅でもって上記燃料噴射弁を駆動し、
   上記ソレノイドによって駆動された上記弁体がピークリフトに達してから着座するまでの所要時間を計測し、
   この所要時間とパルス幅との関係からパルス幅学習補正値を求める、ことを特徴とする燃料噴射弁の学習制御方法。

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